DE2454079A1 - Kugellager - Google Patents

Description

Kugellager

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lagerausbildung, bei welcher Kugeln innerhalb von Nuten in den Laufringen abrollen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Kugellager, die bei hohen Drehzahlen und/oder unter hohen Belastungen arbeiten, wie dies beispielsweise bei den Lagern eines Gasturbinenstrahltriebwerks notwendig ist/

In den vergangenen 25 Jahren wurdaibeim Bau von Gasturbinenstrahltriebwerken die Erfordernisse bezüglich Umfangsgeschwindigkeit und Lastkapazität der Kugellager, die zur Abstützung der Hauptwellen des Gasturbinenstrahltriebwerkes benutzt wurden, immer höher geschraubt. Eine spezielle Schwierigkeit bei diesen Lagern liegt in der Anordnung der Hochdruckwelle, die den Hochdruckkompressor mit der Hochdruckturbine bei einem Dreiwellentriebwerk verbindet, bei dem alle drei Wellen konzentrisch ineinandergeschachtelt sind und die Hochdrückwelle die äußerste der drei Wellen bildet. Wenn das Triebwerk arbeitet, dreht sich die Hochdruckwelle mit einer höheren Drehzahl als die anderen Wellen, was seinerseits wieder gewisse Probleme ergibt, wobei größere Reaktionskräfte zwischen den Kugeln und der Kugelführung infolge der Zentrifugalwirkungen eintreten und hierdurch wiederum wird eine größere Rollberührungsermüdung der Lager verursacht. Da die Hochdruckwelle die äußerste Welle "ist, müssen ihre Stützlager jedoch einen größeren Durohmesser aufweisen als

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die Stützlager der inneren Wellen, Dies bedeutet wiederum^ daß die Lagerreaktionskräfte infolge der größeren Zentrifugalkräfte größer sind., d.h. die Kugeln sind einer größeren Massenbelastung unterworfen. Dabei ist noch e._n anderer Faktor zu berücksichtigen, nämlich die höhe radiale und axiale Belastung, die auf den Lagern lastet. Triebwerke für Zivilflugzeuge sind größer an Schub und Gewicht geworden und dies bedeutet, daß die Lager sehr viel größeren Belastungen·standhalten müssen, als dies früher der Fall war.

Die vorstehenden Betrachtungen des Problems bei Gasturbinenstrahltriebwerken veranschaulichen das allgemeine Prinzip nachdem Schwierigkeiten auftreten, wenn Kugellager entworfen werden müssen, welche hohen Massenbelastungen der Wälzkörper ausgesetzt sind, und zwar sowohl wegen der hohen -Drehzahl als auch wegen der hohen Lagerdurchmesser oder wegen eines dieser Probleme. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn hohe radiale und axiale Belastungen zu erwarten sind. Die grundsätzliche Schwierigkeit besteht darin, daß die Massenkräfte der Kugeln mit der dritten Potenz des Kugeldurchmessers ansteigen, während die Kugelbelastungskapazität, d.h. die Belastung, die jede Kugel ohne Ermüdungsbeschadigungen aushalten kann, nur proportional dem Quadrat des Kugeldurchmessers ist. Demgemäß können, weil die hohe Drehzahl bewirkt, daß die Zentrifugalkräfte vorherrschen, die Probleme nicht durch Vergrößerung der Lagerabmessungen gelöst werden , weder in Bezug auf den mittleren Durchmesser noch bezüglich des Querschnitts.

Es sind zahlreiche Versuche unternommen worden, um dieses Problem zu überwinden. So hat man versucht, leichtere Kugeln dadurch herzustellen, daß ein Loch über einen Durchmesser der Kugel eingebohrt wird, wie dies beispiels-weise in der GB-PS 1 569 SOI beschrieben ist. Außerdem hat man versucht* noch leichtere Kugeln dadurch herzustellen, daß man sie hohl gestaltet, indem z.B. durch Schweifen oder andere Verbindungen

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Hohlkugeln zusammengefügt werden. Ferner wird in der DT-OS 2 358 289 eine Lageranordnung vorgeschlagen, die aus zwei in Reihe liegenden Kugellagern besteht, wobei ein Laufring des einen Lagers und ein Laufring des anderen Lagers in einem gemeinsamen Zwischenglied fixiert sind, das sich in Gegenrichtung zu dem mit der größten Drehzahl umlaufenden Lagerring dreht, so daß die Umlaufgeschwindigkeit der Kugeln im Vergleich mit .Lageranordnungen vermindert wird, die nur eine Gruppe von Wälzkörpern besitzen.

Diese Lösungen sind alle mit gewissen Schwierigkeiten und Nachteilen behaftet. Hohlkugeln bereiten Schwierigkeiten hinsichtlich der Herstellung und sind hinsichtlich der mechanischen Festigkeit nachteilig. Ausgebohrte Kugeln müssen formschlüssig so festgelegt x^rerden, daß sie auf· einem Umfang ablaufen, der die Löcher nicht trifft. Dies erhöht die Kosten und kompliziert den Lageraufbau, wie dies auch bei dem dritten Lösungsvorschlag der Fall ist, bei dem ein Zwischenlaufglied vorgesehen ist.

Ein v/eiterer Versuch bestand darin, die Übereinstimmung zwischen Führungen und Kugeln enger zu machen.

Diese Übereinstimmung oder Konformität einer Lagerführung mit ihren Kugeln wird definiert als das Verhältnis des Krümmungsradius der Führung (R) zu dem Radius der Kugel (r), d.h. R/r. Je größer das Ausmaß der Konformität (oder in anderen Worten ausgedrückt, je "enger" die Konformität), die zwischen Laufring und Kugel erreicht werden kann (innerhalb der Grenzen, die durch die Überwindung der erhöhten Reibung zwischen Laufring und Kugel gegeben sind), desto größer ist der Vorteil in Bezug auf die Lastausbreitung infolge der größeren Berührungsfläche zwischen Kugel und Laufring. Wenn die Last der Kugel über eine größere Fläche verteilt wird, kann natürlich das Lager als Ganzes größere Radialbelastungen aufnehmen, als es sonst der Fall wäre.

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Wenn das Lager dagegen keine größeren Belastungen aufzunehmen hat, dann wird andererseits eine erhebliche Verlängerung der Lebensdauer erreicht.

Da die äußeren Lagerführungen die Massenbelastungen·von den Kugeln aufnehmen, ist es natürlich erwünscht, diese dichter zu gestalten als die inneren Lagerführungen, die einen "Schlacker"-Sitz, d.h. einen loseren Sitz als die äußeren Führungen haben können,

Während der vergangenen 15 Jahre bestand ein Trend, bei der britischen Luftfahrtindustrie,die äußere Kugelführung von einem Verhältnis von üblicherweise 1,03 auf 1,015 zu verengen, was im Hinblick auf die Lagerdrehzahl und Lasttragfähigkeit Vorteile bringt. Eine solche mittlere Konformität von 1,015 (äußere Führung) und 1,018 (innere Führung) wurde, im großen Umfange benutzt· Diese Vierte wurden jedoch aus einem wichtigen Grund nicht überschritten, damit nämlich eine unerwünschte Berührung zwischen den Kugeln und den Führungsrändern·bei gewissen Drehzahl- und axialen Belastungsbedingungen vermieden wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird die gestellte Aufgabe bei einem Kugellager für hohe Drehzahlen dadurch gelöst, daß der Krümmungsradius der Lagerführung sich über seine Breite' in Ebenen, die die Lagerachse enthalten, ändert und daß die Führung

eine erste. Zone mit im wesentlichen konstantem Krümmungsradius aufweist, auf dem die Kugeln normalerweise ablaufen und daß zweite und dritte Zonen im Abstand von der ersten Zone vorgesehen sind, wobei jede der zweiten und dritten Zonen von dem jeweiligen Rand der ersten Zone bis zu dem jeweiligen Rand der-Führung verläuft und die zweiten und dritten Zonen einen im wesentlichen konstanten Krümmungsradius besitzen, der größer ist als der Krümmungsradius der ersten Zone und wobei die Krümmungsmittelpunkte der zweiten und dritten Zone gegenüber dem Krümmungsmittelpunkt der ersten Zone versetzt sind, um glatte

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Oberflächenübergänge zwischen.den. Zonen der Führung zu gewährleisten.

Vorzugsweise besitzen alle drei Zonen eine Konformität, die
enger ist, d.h. numerisch kleiner ist als 1,01.

Vorzugsweise- besitzt die erste Zone eine Konformität von
1*005* wahrend die beiden Zonen mit geringerer Übereinstimmung eine Konformität von 1,008 besitzen.

Vorzugsweise ist nur die radial äußere Führung des Kugellagers in dieser Weise ausgebildet, während die Konformität der
radial inneren Führung vorzugsweise nicht dichter als 1,018
ist, um die Herstellung zu erleichtern.

Nachstehend v/erden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand
der Zeichnung beschrieben.· In.der Zeichnung zeigen:

FJg, 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgernäß ausgebildeten Lagers, wobei die geometrische Form der äußeren Teile der Lagerführung aufgezeichnet ist,

Fig. 2 eine graphische Darstellung, die die Wirkung der Kugelführungskonformität auf die Lasttragfähigkeit.und die
Lebensdauer im Vergleich mit einer herkömmlichen Konformität von 1,0^5 erkennen läßt.

Fig. 1 veranschaulicht schematisch und in 'größerem Maßstab einen Querschnitt des radial äußeren Laufringes 2 eines hochUUrigen
Kugellagers. Die nicht dargestellte.Kugel mit dem Radius r
läuft normalerweise mit ihrer Berührungslinie auf der Mittelzone A des Laufringes ab.

Die Zone A liegt in einem Bereich, wo der ..Bogen 3* der die
Oberfläche der Führung definiert, einen Teil eines Kreises mit

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'dem Radius R bildet, dessen Mittelpunkt bei O liegt, d.h. der Bogen 3 besitzt einen Krümmungsradius R, wobei R größer ist als r. Von den Rändern C der Zone A nach den Rändern der Lagerführung bei E liegen definierte Zonen D, bei denen der KrUmmungs radius R^ der Bogen 5* die die Oberfläche der Führung definieren, größer ist als R, so daß eine weitere Führungs-Kugelkonformitat besteht als in der Zone A₀ '

Die Bögen 5 stellen Teile eines Kreises mit dem Radius R_D und den Mittelpunkten O₁ bzw. Op dar und demgemäß besitzen die Zonen D ebenso wie die Zone A eine konstante Konformität,

Wenn beispielsweise der Krümmungsradius R in der Zone A 1,005 mal so groß ist wie der Kugelradius r, d.h. wenn die Konformität R/r gleich 1,005 ist, dann kann der Krümmungsradius R^ der Führung zwischen den Punkten C und E in den Zonen B gleich 1,008 r sein.

Die Mittelpunkte O₁ und Op sind gegenüber dem Mittelpunkt 0 versetzt, um einen glatten Übergang der Führungsoberfläche zwischen den Zonen A und D zu gewährleisten und um auch eine angemessene Gesamtführungstiefe zu ehalten. Die geometrische Gestalt der Führung wird in der Weise ausgelegt, daß zunächst der Punkt C bestimmt wird, an welchem der Übergang zwischen den Zonen A und D stattfinden soll. Um eine Änderung des Krümmungsradius bei C von R auf R^ vorzunehmen, ohne am Übergang eine Rippe oder eine Vertiefung oder eine sonstige Unstetigkeitsstelle zu erhalten, wird ein Radius OC des Kreises, wie dargestellt, bei 0 zentriert. Diese Radiuslinie erstreckt sich von 0 nach 0,. Demgemäß ist R^-R=O O₁. Die Linie O₁IC stellt demgemäß den Krümmungsradius des Bogens 5 dar, der ein Teil des Kreises mit dem Mittelpunkt O₁ ist. Die Tangente FCG an C ist eine den beiden Kreisen 0 und O₁ gemeinsame Tangente und die Linie

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.COQ enthält die Radien der entsprechenden Kreise imd steht. demgemäß rechtwinklig auf der Tangente.

Bei den die Hauptwelle!! von (Jasturbinenstrahltriebwerken abstützenden Kugellagern hoher Drehzahl bleiben die Kugel-Fittirungs-Berührungsiilnkel unter den meisten Betriebsbedingungen niedrig, d.h. die Kugel läuft In der Mitte der Führung. Nur unter kurzzeitigen Schwerlastbedingungen, Vielehe beträchtliche

wird axialgerichtete Kräfte zur Folge habend/bewirkt , daß der Berührungswinkel groß genug wird, um die Mittellinie der Berührung zwischen Kugel und Führung außerhalb der Zone A zu halten. Derartige Bedingungen haben keine schwerwiegenden Wirkungen in Bezug auf die Verminderung der Lebensdauer der Lager, da infolge der weniger engen Konformität und infolge der Versetzung der Krümmungsmittelpunkte für die Zonen D nur eine geringe Wahrscheinlichkeit besteht, daß die Lippen der Lagerführung bei E gegen die Kugeln treffen, was eine schwere Belastung für kleine Flächen der Kugeln zur Folge häitte. Außerdem sind die Lippen der Führung bei E, wo die Zonen D enden, nicht scharfkantig ausgeführt, sondern mit einer Abrundung versehen, die hohe Belastungen pro Flächeneinheit mit zuverhindern hilft.

Die Führung kann durch Schleifen und Honen hergestellt werden, wobei herkömmliche Techniken Anwendung finden.

Es wäre natürlich möglich, die beiden äußeren Zonen D mit voneinander unterschiedenen, aber konstanten Krümmungsradien herzustellen, wenn dies erforderlich ist. Dann würde die Konformität der einen Zone D sich gegenüber jener der gegenüberliegenden Zone D unterscheiden. Eine solche Führung kann in Fällen erforderlich sein, wo eine Axialbelastung in einer Richtung bedeutend größer zu eüwarten ist als die Axialbelastung in der anderen Richtung. In diesen Fällen wären die Zonen nicht notwendigerweise symmetrisch, um den Mittelpunkt der Führungsbreite anzuordnen. Wenn man eine der Fig. 1 ähnliche

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Anordnung betrachten würde, dann könnte die "Mittel"-Zone A entweder nach dem rechten oder linken Rand E der Führung versetzt sein, je nachdem, wo die größere Axialbelastung zu erwarten ist. Dabei könnten auch die Zonen D vergrößert oder auch schmaler gehalten werden.

Die Vorteile in Bezug auf Lastkapazität und Lebensdauer, wie sie durch die Erfindung erreicht werden, ergeben sich aus der Fig. 2 der Zeichnung.

Fig. 2 ist eine sich selbst erläuternde graphische Darstellung einer Lageranordnung mit einer Konformität von 1,035 als Bezugsgröße, da diese Größe beim Bau von Kugellagern weit ' verbreitet ist, insbesondere auch bei den Herstellern von Flugzeugtriebwerken. Aus der graphischen Darstellung ergibt sich, daß dann, wenn eine Änderung von 1,035 auf 1,015 Konformität vorgenommen wird (es wird nur die äußere Führung betrachtet), eine 6o$ige.Verbesserung der Kugellastkapazität erreicht wird oder stattdessen bei gleicher Last ein etwa 5-faches Ansteigen der Lebensdauer erreichbar ist. Diese Zahlenwerte wurden bereits in der Praxis realisiert.

Wenn jedoch bei der Erfindung eine änderung auf eine Konformität von 1,005 durchgeführt wird, zeigt es sich, daß eine Verbesserung von ca. 210$ der Kugellastkapazität erhalten wird, d.h. eine 3,1-fache Belastung oder eine 30mal so lange Lebensdauer verglichen mit Lagern einer Konformität von 1>ο35·

Die Lastkapazität und die vorteilhafte Verlängerung der Lebensdauer sind viel größer als dies der Fall ist, wenn Leichteres, d.h. hohle oder durchbohrte Lagerkugeln benutzt werden.

Außerdem wird der Zusammenbau oder die Herstellung nicht kompliziert, wie- dies bei verschiedenen bekannten Maßnahmen erforderlich war, so daß die Vorteile nicht mit Herstellunssschwierigkeiten erkauft werden.

Patentansprüche: 509821/075S

Claims (5)

1. - 9 Patentansprüche :

   f1))Lagerführung für ein hochtouriges Kugellager, dadurch g e ke η η ζ e i ohne t, daß der Krümmungsradius der Lagerführung, betrachtet in Ebenen, die die Achse des Lagers einschließen, sich über die Breite ändert, daß die Führung eine erste Zone A mit im wesentlichem konstanten Krümmungsradius R aufweist, in der die Kugeln normalerweise laufen und daß zweite und dritte Zonen D im Abstand von der ersten Zone angeordnet sind, wobei sich die zweite und dritte

   Zone von einem Rand C der ersten Zone nach einem Rand E der Führung erstreckt, wobei die zweite und dritte Zone im . wesentlichen konstante Krümmungsradius RD aufweisen, die größer sind, als der Krümmungsradius der ersten Zone und wobei die Krürnmungsmittelpunkte 0, und O₂ der zweiten und

   dritten Zone gegenüber dem Krümmungsmittelpunkt 0 der ersten Zone versetzt sind.
2. 2) Lagerführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichn e t, daß die Konformität der Führung gegenüber den Kugeln in jeder Zone einen numerischen Wert von weniger als 1,01 besitzt, wobei die Konformität durch das Verhältnis der Krümmungsradien der Führung R,R^ zu dem Kugelradius definiert ist.
3. 3) Lagerführung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Zone A eine Konformität von 1,005 besitzt.
4. 4) Lagerführung nach Anspruch J, dadurch gekennzeichn e t, daß die zweite und dritte Zone D eine Konformität von 1,008 besitzen.
5. 5) Lagerführung nach Ansprüchen 1-4, dadurch gekenn zeich net, daß sie im äußeren Laufring eines hoohtourigen Lagers angeprdnet ist. .

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