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Beschreibung Wälzlagerung für Schwenkbewegungen unter großer Axiallast
Die Erfindung betrifft eine Wälzlagerung für Schwenkbewegungen unter großer Axiallast
und an einem Hebelarm angreifender Verstellkraft, insbesondere für die Verstellschaufeln
von Axialgebläselaufrädern.
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Bei diesen Axialgebläselaufrädern sind die Schaufeln zum Zwecke der
Regelung im Betrieb verdrehbar an der Laufradnabe angebracht.
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Die Verstellung erfolgt durch Angriff einer Verstellkraft an einem
auf der Schaufelwelle befestigten Verstellhebel. Die Lagerung dieser Schaufeln ist
durch die Fliehkraft in Richtung der Schaufelachse außerordentlich hoch belastet
und gleichzeitig durch die an dem Hebelarm angreifende Verstellkraft in Richtung
senkrecht dazu beansprucht.
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Da für die Regeleung möglichst Reibungsfreiheit verlangt wird, und
die Schmierung eines Gleitlagers wegen der Fliehbeschleunigung und der fehlenden
Drehgeschwindigkeit im Lager selbst große Schwierigkeiten bereitet, werden für die
Lagerung der Schaufeln in der Praxis Wälzlager verwendet, und zwar wegen der für
die Aufnahme der Fliehkraft im wesentlichen axialen Belastung vorzugsweise Axial-Rillenkugellager.
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Es zeigte sich nun, daß die Lebensdauer dieser Lager bei weitem geringer
ist als sie für den Stillstand bzw. bei den kleinen Schwenkbewegungen um die Drehachse
bei der aufgebrachten Last an sich zu erwarten ist. Darüberhinaus traten auch bisweilen
kurzzeitig nach erhöhter Reibung Verklemmungen auf, die zur Zerstörung der Wälzkörperoberflächen
führten.
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Die Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, eine Lagerung
auf der Wälzlagerbasis zu finden, bei der diese Schwierigkeiten vermieden werden
und ein einwandfreier Betrieb mit langer Lebensdauer erreicht wird.
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Sie löst diese Aufgabe dadurch, daß bei der Wålzlagerung für Schwenkbewegung
unter großer Axiallast und an einem Hebelarm angreifender Verstellkraft ein Axial-Schrägkugellager
mit solchem Druckwinkel angeordnet wird, daß die Schwenkebene des Hebels die Schwenkachse
im Druckmittelpunkt des Schräglagers schneidet und der Tangens des Druckwinkels
nicht größer ist als das Verhältnis von kleinster im Betrieb auftretender Axiallast
zu größter Verstellkraft, also als der Tangens des kleinsten auftretenden Lastwinkels.
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Im Rahmen dieser Lösung wurde es weiterhin als vorteilhaft erkannt,
daß ein etwa unausgleichbares Biegemoment der Lagerwelle oder eine unvermeidliche
Außermittigkeit der Axiallast in derjenigen radialen Längsebene liegt, auf der die
Verstellkraft im häufigst gefahrenen Betriebspunkt gerade senkrecht steht.
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Die Erfindung geht aus von der durch Überlegungen und Versuche gewonnenen
Erkenntnis der Ursache für die bei Verwendung eines Axialrillenkugellagers aufgetretenen
Schwierigkeiten. Die Ergebnisse
und ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung sollen anhand der Abbildungen Fig. 1 bis Fig. 4 beschrieben werden. Dabei
wird als Beispiel die im Betrieb verstellbare Laufschaufel eines Axialgebläeses
benutzt.
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Fig. 1 bedeutet einen Längsschnitt durch die Drehschaufellagerung
der alten Ausführung senkrecht zur Laufradachse, Fig. 2 schematisch einen Schnitt
A-A durch das Kugellager von Fig. 1, Fig. 3 den Längsschnitt bei der erfindungsgemäßen
Ausführung senkrecht zur Laufradachse, Fig. 4 schematisch den Schnitt A-A durch
das Kugellager von Fig. 3, Fig. 5 das Kräftedreieck für die Festlegung des maximalen
Druckwinkels nach der Erfindung.
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Gleiche Teile sind in den verschiedenen Figuren mit gleichen Ziffern
gekennzeichnet. In Fig. 1 bedeutet 1 die Schaufel, die an der Schaufelwelle 2 angeflanscht
ist. Die Abbildung stellt einen Ausschnitt aus einem Querschnitt senkrecht zu der
Laufradachse des Axialgebläses dar. 9 und 10 sind Trag- bzw. Abdeckungsring der
Laufradnabe, in der die Schaufelwelle 2 radial steht.
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Das Axialrillenkugellager 3 nimmt die Belastung in axialer Richtung
der Schaufel auf, die durch den Pfeil PA angedeutet ist, die durch die Fliehkraft
gegeben ist. Am inneren Ende der Schaufelwelle ist der Hebel 4 aufgesetzt, der an
dem Zapfen 5 durch eine nicht dargestellte Schubstange gedreht werden kann, wodurch
die Schwenkbewegung herbeigeführt wird. In Fig. 2 ist hierfür die Verstellkraft
PSt angedeutet.
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Die Welle ist weiterhin in den mit 7 und 8 bezeichneten Radiallagern
gehalten; doch hat sich herausgestellt, daß dies wegen des vorhandenen Spieles bei
den Betrachtungen über das Verhalten des Wälzlagers 3 keine Rolle spielt. Das Kugellager
3 ist über das Lagergehäuse 6 in dem Tragring 9 gehalten. 11 ist ein durch einen
Arm mit der Welle fest verbundenes Fliehkraft-Ausgleichsgewicht, das in die Zeichenebene
gedreht worden ist, obwohl es im Verhältnis zu dem Verstellhebel 4 nicht in dieser
liegt.
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In Fig. 2 sind von dem wegen der hohen Belastung voll mit Kugeln besetzten
Axiallager 3 nur vier Kugeln mit der Bezeichnung a, b, c und d eingezeichnet. Die
angedeutete Verstellkraft PSt greift an der Wellenscheibe 32 (Fig.1) dieses Lagers
an. Sie bewirkt in der Darstellung der Fig. 2 eine Drehung derselben im Gegen-Uhrzeigersinn.
Diese bewirkt eine Änderung der Druckwinkel an den Wälzkörpern b und d. In Fig.
1 ist die Änderung des Druckwinkels ## sowie der 900 betragende Druckwinkel #0 des
Axialrillenkugellagers in der linken Hälfte eingetragen. Die dargestellten Druckwinkelverhältnisse
beziehen sich auf die Kugel d und sind in die Zeichenebene herumgeklappt zu denken.
Bei der Drehung unter dem Einfluß der Änderung des Druckwinkels läuft der Wälzkörper
b im Vergleich zu a und c schneller, die Kugel d langsamer um, und entsprechend
legt b einen relativ größeren, 1d einen relativ kleineren Weg zurUck. Diese verschiedenen
Wege der Kugeln sind durch die innenliegenden Pfeilbogen sa, sb usw. dargestellt.
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Da nur Schwenkbewegungen ausgeführt werden, folgt eine Zurückverstellung,
bei der sich die Richtung der Verstellkraft, die Druckwinkeländerungen und damit
auch die Bewegungsverhältnisse umkehren:
b legt jetzt einen relativ
kleineren, d einen relativ größeren Weg zurück - angedeutet durch die außenliegenden
Pfeilbogen ta usw. - ; dadurch sind beide Kugeln auf die Kugel c zugewandert, während
bei a und c hin und zurück der gleiche Weg zurückgelegt wurde. Die Folge davon ist,
und das erklärt die Schwierigkeit mit den verwendeten Axialrillenkugellagern, daß
die Kugeln b und d und die ihnen benachbarten Kugeln mit jeder Schwenkbewegung zunehmend
auf die Kugel c zuwandern, und daß bei der notwendigen vollen Füllung mit Kugeln
die Wälzkörper in Kollision geraten.
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Dadurch steigt das Lagerreibmoment und damit die notwendige Verstellkraft,
dies wiederum führt wegen größerer Verstellkräfte zu einer stärkeren Druckwinkeländerung,
wodurch relativ größere Wanderwege hervorgerufen werden und damit stärkere Kollisionen
auftreten usw. Wie sich herausgestellt hat, können die schädlichen Druckwinkeländerungen
durch die beiden radialen Führungslager 7 und 8 nicht verhindert werden, da sie
schon bei sehr kleinen seitlichen Bewegungen des Axialrillenkugellagers auftreten,
und da die FUhrungslager nicht mit beliebig kleinem Lagerspiel ausgeführt werden
können, weil sie sonst infolge unvermeidlicher kleiner Fluchtungsfehler das angestrebte
gleichmäßige Tragen des Axiallagers am ganzen Umfang unmöglich machen.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausführung nach Fig. 3 können diese Schwierigkeiten
nicht auftreten. Anstelle des Axialrillenkugellagers ist das Axial-Schrägkugellager
3 eingebaut. Dieses hat den Druckwinkel α . Die Schwenkebene des an dem Drehzapfen
5 angreifenden Verstellhebels ist durch den eingezeichneten, in die Zeichenebene
herumgeklappten Pfeil der Verstellkraft PSt angedeutet.
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Diese Ebene schneidet sich hier mit der Drehachse der Schaufel
gerade
im Druckmittelpunkt D des Schrägkugellagers, also an der unteren Ecke des aus dem
Kugelkreisradius r und dem Abstand 1 des Druckmittelpunktes D von der Kugelkreisebene
gebildeten rechtwinkligen Dreiecks. Der Druckwinkel des belasteten Schrägkugellagers
ist etwas größer als der des unbelasteten Lagers, wodurch auch der Druckmittelpunkt
D im belasteten Zustand etwas weiter vom Lager wegrückt, der Abstand 1 also etwas
zunimmt, was zweckmäßigerweise auch berücksichtigt wird.
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Wenn der Axiallast ein Biegemoment überlagert ist, oder wenn sie außerhalb
der Mitte angreift, verlagert sich der Druckmittelpunkt hauptsächlich in Querrichtung,
aber auch etwas in Längsrichtung.
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Auch dies ist bei der Festlegung der Schwenkebene des Hebels zu berücksichtigen.
In vielen Fällen läßt sich ein der Axiallast überlagertes Biegemoment durch eine
entsprechend bemessene Außermittigkeit der Axiallast vollständig oder teilweise
ausgleichen, wenigstens für den häufigst gefahrenen Betriebspunkt, wovon bei Laufschaufeln
von Strömungsmaschinen oft Gebrauch gemacht wird.
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Infolge dieser Anordnung und Ausführung des Wälzlagers kann die anhand
von Fig. 1 und 2 beschriebene Auswanderung der Kugeln nicht stattfinden, bzw. bei
einer kleinen Hin- und Herbewegung machen alle Kugeln den gleichen Weg, so daß keine
Kollisionen auftreten.
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Fig. 5 zeigt das Kräftedreieck, das eine weitere erfindungsgemäße
Bedingung verdeutlicht. In Achsrichtung der Schaufel ist die Axialkraft aufgetragen,
zwischen PAmin = kleinster-Axialkraft und PAmax = größter Axialkraft schwankend,
senkrecht dazu die Verstellkraft PSt. Diese kann zwischen der-kleinsten Postmin
und der größten Pstmax variieren. Der Tangens des aus dem Kräftedreieck sich ergebenden
Lastwinkels ß ist gegeben durch PA/PSt.
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Der Druckwinkel α des Axial-Schrägkugellagers soll dabei nicht
größer sein als der eingezeichnete Winkel ßmin' dessen Tangens das Verhältnis von
PAmin/PStmaX ist. Man erkennt aus Figur 5, daß dies der kleinste sich aus den Verhältnissen
der verschieden großen Betriebskräfte ergebende Winkel ist. Die gestellte Bedingung
muß erfüllt sein, damit die Kugeln auf dem schwächer belasteten Teil des Umfangs
nie ganz entlastet werden. Andernfalls würden größere Druckwinkeländerungen unvermeidbar
und das Einhalten der erfindungsgemäßen Voraussetzung unmöglich werden.
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Ist der Axiallast ein Biegemoment überlagert oder wirkt sie schräg
zur Achse, so sind die daraus herrührenden Querkraftkomponenten hier ebenfalls mitzuberücksichtigen,
soweit sie in die Richtung der Verstellkraft fallen.
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In Fig. 4 ist schematisch der Schnitt auf der Linie A-A in Fig. 3
durch die erfindungsgemäße Lagerung dargestellt. Hier ist angenommen - wie es häufig
bei solchen Schaufellagerungenvorkommt -, daß die Axialkraft PA nicht genau in der
Achse liegt, sondern einen Abstand e von dieser, also eine gewisse Exzentrizität
besitzt. Dies ist beispielsweise bei den Laufradschaufeln der Gebläselaufräder u.U.
dadurch bedingt, daß sich die Profilschnitte nicht vollkommen so anordnen lassen,
daß ihre Schwerpunkte in einer radialen, mit der Achse zusammenfallenden Linie liegen.
In ähnlicher Weise kann ein Biegemoment in der Welle auftreten, das sich nicht ausgleichen
läßt. Wie in Fig. 4 dargestellt ist, soll jedoch erfindungsgemäß die Axialkraft
bzw. das etwa unausgleichbare Biegemoment in derjenigen radialen Längsebene liegen,
auf der die Verstellkraft im häufigst gefahrenen Betriebspunkt senkrecht steht.
Die Axialkraft liegt hier in der durch B-B gegebenen
radialen Längsebene,
die die Zeichenebene der Fig. 3 ist. Die in Fig. 4 eingezeichnete Verstellkraft
PSt steht senkrecht zu dieser Ebene. Das Einhalten dieser Bedingung ergibt minimale
Beeinflussung des Druckwinkels der kritischen Kugeln b und d und der ihnen benachbarten
Kugeln und erleichtert damit das Einhalten der im Hauptanspruch aufgestellten Bedingung
a.
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Das in den Abbildungen dargestellte Beispiel betrifft eine verstellbare
Laufschaufel von Axialgebläsen. Die Erfindung kann jedoch auch sinngemäß bei anderen
Lagerungen zur Anwendung kommen, bei denen eine große Axialkraft aufzunehmen ist
und eine nur hin-und hergehende Verstellbewegung, als Schwenkbewegung bezeichnet,
und kein Umlauf stattfindet. Sie verwirklicht eine Lagerung mit im wesentlichen
nur einem Kugellager; ist also sehr einfach herzustellen, hat nur unwesentliche
Reibungskräfte und ergibt eine lange Lebensdauer bei einwandfreiem Betrieb.