DE2621318A1

DE2621318A1 - Axialschwenklager

Info

Publication number: DE2621318A1
Application number: DE19762621318
Authority: DE
Inventors: Roger Louis Elysee
Original assignee: SNECMA SAS
Current assignee: Safran Aircraft Engines SAS
Priority date: 1975-05-14
Filing date: 1976-05-13
Publication date: 1976-11-25
Also published as: IT1062355B; FR2311218A1; CA1048093A; AU1379576A; US4037887A; CH597529A5; BE841728A; JPS5938454B2; FR2311218B1; JPS51141944A; GB1503884A; DE2621318C2

Description

SOCIETE NATIONALE d¹ETUDE et de CONSTRUCTION de MOTEURS d^fAVIATION, Paris (Prankreich)

Axialschwenklager

Die Erfindung betrifft ein Führungsorgan, das eine axiale Schubbewegung einer Rotorwelle einer drehenden Maschine relativ zu einem Stator verhindert, aber einen begrenzten Winkelausschlag der Welle in beliebiger Ebene gestattet, der Bauart mit einem Lager-Zwischenglied, das in einer Aufnahme im Stator gelenkig gelagert ist.

Die Erfindung ist vorteilhafterweise bei drehenden Maschinen mit vertikaler Achse anwendbar, die einen beweglichen Maschinenteil oder Rotor haben, der schwer ist und einen großen Durchmesser hat.

Bei den bekannten Axialschwenklagern gestatten die beiden Oberflächenzonen der Kugel, die in einander

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gengesetzter Richtung auf komplementäre Flächen der kugeligen Lagerung drücken - um die kugelschalenförmigen Gleitzonen zu definieren - die begrenzte Winkelbewegung der Welle; diese Zonen sind im allgemeinen konvexe und konzentrische Kugelzonen. Wie sich im Laufe der vorliegenden Beschreibung zeigen wird, führt diese Anordnung, wenn das Lager mit erheblichen Kräften beansprucht wird, dazu, daß man dem Lager große Abmessungen und ein erhebliches Gewicht geben muß, wenn man eine genaue axiale Halterung der Welle erreichen will. Dies läßt sich bei derartigen Lagern nur mit sehr kleinen Spielen erreichen, die mit einer Gleitbewegung ohne Gefahr eines Zwängens oder Sressens unvereinbar sind.

Die Erfindung macht es möglich, die oben erwähnten Nachteile zu vermeiden, sie gestattet insbesondere Axialschwenklager mit geringen Abmessungen für drehende Maschinen mit vertikaler Achse und schwerem Rotor zu schaffen und ganz unabhängig davon, welches die Richtung des Schubes während des Betriebes ist, ein korrektes Zentrieren der drehenden Welle ohne Qefahr von Vibrationen zu gewährleisten.

Man hat zur Verringerung der Abmessungen und der oben genannten Nachteile bereits daran gedacht, die sphärischen Gleitzpnen einander zu nähern und eine gewisse Freiheit in der Querverschiebung einer dieser Zonen zu belassen, so daß ihre sphärischen Zentren nicht mehr zusammenfallen und jedes dieser Zentren von der Zone aus gesehen, die es definiert, jenseits der anderen Zone liegt. Diese Form der Ausführung ist jedoch nur dann geeignet, wenn gewisse Betriebsbedingungen respektiert werden. Darum

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sieht die Erfindung ein Axialschwenklager vor, in dem zumindest die eine der sphärischen Gleitzonen des Kugelgelenkes konkav ist, der Oberflächenanteil komplementärer Form der Aufnahme des Gelenkes ist infolgedessen konvex. Der andere Teil der sphärischen Druckfläche des Gelenkes ist vorzugsweise konvex, der komplementäre Oberflächenteil der Aufnahme des Gelenkes ist infolgedessen konkav.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden sich aus der, folgenden Beschreibung von Axialschwenklagern ergeben, welche diese Charakteristiken benutzen, und zwar durch Vergleich mit Axialschwenklagern bekannter Ausführung; wobei auf die Zeichnung Bezug genommen wird, in der zeigen:

Pig. 1 einen Axialschnitt durch ein Axialschwenklager bekannter Ausführung;

Pig. 2 und 3 schematische Schnittdarstellungen

durch Axialschwenklager mit zwei konvexen Gleitflächen, die nicht konzentrisch sind;

Fig· ^f 5* 6 und 7 schematische Schnittdarstellungen von Axialschwenklagern, bei denen zumindest eine der sphärischen Gleitzonen konkav ist;

Fig. 8 einen Axialschnitt durch ein Beispiel eines Axialschwenklagers gemäß der Erfindung.

Soweit es die Beschreibung nicht unbedingt erfordert, wurden in den Figuren die Elemente oder Anordnungen weg-

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gelassen, deren Darstellung nicht für das Verständnis der Erfindung notwendig ist, wie beispielsweise die Schmierorgane und -leitungen, die Trennlinien und die Verbindungsebenen, die die Montage und die Demontage ermöglichen, die Zusammenbauelemente usw.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 sollen die Nachteile eines Axialschwenklagers bekannter Ausführung analysiert werden, das ein Gelenk hat, dessen Kugelschalengleitzonen der gleichen Kugel zugehören:

Der Gelenkkörper 11, der in der Kugelaufnahme 12 schwingen kann, trägt die Welle 13 unter Zwischenschalten zweier konischer Rollager symmetrischer Ge^ staltung 14. Die Innenlaufringe 141 der Rollager 14 sind auf die Welle 13 aufgeschoben und zwischen einem festen Bund 131 und einer Bundmutter 132 festgepreßt, die auf das Gewinde 133 der Welle 13 aufgeschraubt ist. Der Gelenkkörper 11, der ausgebohrt ist, um den Einbau der äußeren Laufringe 142 der Lager zu ermöglichen, ist zwischen diesen Lagern durch seinen Innenbund 111 festgehalten. Unter Vernachlässigung des mittleren Spieles j, sieht man, daß die Gleitbewegung zwischen der kugeligen Aufnahme 12 und dem Gelenkkörper 11 längs einer sphärischen oder Kugelschalenzone vom Halbmesser r erfolgt, deren Zentrum ο auf der Achse der Welle liegt-. Tatsächlich ist diese Gleitzone in zwei Kugelschalenzonen ζ 11 und ζ 12 durch einen Ringkanal 15 geteilt, der von einer Ringnut 121 begrenzt wird, die in die Aufnahme 12 eingearbeitet ist und durch einen zylindrischen Teil 112, der am Umfang der Kugel 11 vorgesehen ist und der es möglich macht, neben anderen Funktionen

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die Schmierung des Gelenkes über Schmieröffnungen (nicht dargestellt) zu ermöglichen.

Diese Anordnung eines Axiallagers verleiht im Prinzip der Welle 13 die Möglichkeit einer Schwenkbewegung um das Zentrum ο und gewährleistet eine genaue axiale Einstellung. Wenn jsdoch die totale Höhe h der Gleitzonen gering ist, wird einerseits der Anschlagwinkel a klein und man läuft die Gefahr von Klemmungen, wenn die axiale Last groß ist; andererseits ist man gezwungen, das Spiel S zwischen der Kugel und ihrer Aufnahme zu begrenzen und das axiale Spiel kleinzuhalten. Die Bearbeitung wird schwierig und die Gefahren eines Klemmens während des Betriebes vergrößern sich. Um diese Nachteile zu beheben, kann man daran denken, die Höhe h zu vergrößern, um den Anschlagwinkel a zu vergrößern und das axiale Spiel zu verringern; wenn jedoch die axialen Lasten groß werden, kommt man auf diese Weise dazu, daß man dem Lager große Abmessungen und ein ungewöhnlich großes Gewicht geben muß, und dies für einen gegebenen Wellendurchmesser.

Bevor unter Bezugnahme auf die Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel eines Axialschwenklagers gemäß der Erfindung beschrieben wird, sollen die Figuren 2 bis betrachtet werden, die bestimmte Schemen von Axialschwenklagern gemäß der Erfindung darstellen, bei denen es möglich ist, die Nachteile des Axialschwenklagers nach Fig. 1 zu vermeiden. In sämtlichen schematischen Skizzen besteht das Heilmittel darin, die beiden Kugelschalen-Gleitzonen zl und z2 durch Kugelschalen mit Zentren und ggf. mit Halbmessern zu bestimmen, die derart unter-

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schiedlich sind, daß die Scheitel der Zonen im wesentlichen viel näher aneinander liegen, als wenn die Zonen einer gleichen Kugel zugehörten. Damit die Schwenkbewegung der Welle möglich bleibt, ohne daß man übermäßige Spiele zulassen muß, wird man im allgemeinen dazu geführt, daß man dem Kugelschalenzentrum einer der Zonen (z2 in den betrachteten Figuren) eine gewisse Freiheit der Querverschiebung zugestehen muß, indem man die Abstützflache derjenigen entsprechenden Fläche der Kugelaufnahme durch einen "schwimmenden" Ring ersetzt, der auf das Gehäuse der Aufnahme mit der Möglichkeit einer Quergleitbewegung drückt.

Die Axiallager nach den Fig. 2 bis 7 sind in einer Betriebsstellung dargestellt, man nimmt an, daß sie in einer drehenden Maschine mit vertikaler Achse einen nicht dargestellten Rotor führen, von dem G den Schwerpunkt bezeichnet. Man nimmt ferner an, daß dieser Rotor über dem Axialschwenklager sitzt. 01 bezeichnet den festen Punkt, der das Kugelschalenzentrum der Zone zl ist, die in der kugeligen Aufnahme aufgenommen wird; der Mittelpunkt der "schwimmenden" Gleitzone z2 ist nicht dargestellt.

In der Fig. 2 sind die Zonen des Gelenkkörpers 21, welche die Gleitzonen zl und z2 bestimmen, alle beide konvex. Der "schwimmende" Ring 23, der mit dem Gelenkkörper in seiner Gleitzone z2 zusammenwirkt, ist über der Kugel angeordnet. Die Zone zl ist also unterhalb gelegen und ihr KrümmungsZentrum 01 nahe dem Schwerpunkt G, der dar über liegt. Im Stillstand ist der Gelenkkörper 21, der durch das Gewicht des Rotors nach unten

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gedrückt wird, durch die Zone zl genau auf die Kugelaufnahme 22 aentriert. Wenn Jedoch die Maschine arbeitet, und der Gelenkkörper 21 durch die Reaktion des Rotors nach oben gedruckt wird und sich auf den schwimmenden Ring 25 über die Zone z2 abstützt, ist die Zentrierung nicht mehr gesichert.

Die Fig. 3 stellt die andere Lösung dar, die augenscheinlich mit einem bikonvexen Gelenkkörper 31 möglich ist. Der Gelenkkörper 31 ruht beim Stillstand der Maschine auf dem schwimmenden Ring 33* der sich auf den unteren Teil der Aufnahme 32 für das Kugelgelenk . abstützt. Die Zone zl ist also derart gelegt, daß die genaue Zentrierung des Kugelgelenkes während des Betriebes mit einem ansteigenden Rotorschub gesichert ist. Die Tatsache, daß sie im Stillstand nicht vorhanden ist, ist praktisch ohne Nachteil oder ohne Bedeutung. Die Überprüfung der Fig. 4 und 5 zeigt, daß andererseits Gelenkkörper mit konkav-konvexen Kugelflächen die Zentrierung gestatten, ganz unabhängig von dem Betriebsfall.

In der Fig. 4 legt sich der Gelenkkörper 41 im Stillstand mit seiner konvexen Fläche auf den festen Teil der Ausnehmung 42 (feste Kugelschalenfläche zl). Die konkave Fläche definiert durch den schwimmenden Ring 43 die schwimmende Gleitzone z2. Das feste Zentrum 01 befindet sich sehr nahe an dem Schwerpunkt G . Das Zentrieren im Betrieb ist nicht korrekt, wie in dem Fall der vikonvexen Kugelschalen der Fig. 2, außer wenn die Reaktion des Rotors im Betriebe nach unten wirkt, d.h. im gleichen Sinne wie der Druck in der Ruhestellung.

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Wenn jedoch diese Reaktion nach oben wirkt, genügt es, wie die Fig. 5 zeigt, den schwimmenden Ring 53so anzuordnen, daß er sich an die konvexe Fläche des Gelenkkörpers 51 anpaßt. Wenn der Schub ansteigend wird, legt sich die obere konkave Fläche des Gelenkkörpers 51 an den Abschnitt mit komplementärer Form des festen Teiles der Aufnahme 52 an. In der Ruhe ist die Zentrierung nicht gesichert, was ohne Bedeutung istj sie tritt dafür automatisch im Betriebe ein. Man muß bemerken, daß in den beiden Fällen der Figuren 4 und 5 der "freitragende" Abstand zwischen G und 01 sehr klein gemacht werden kann, indem man den Halbmesser der Kugelschalenzone zl entsprechend wählt.

Die konkave-konvexe Kugelschalenberührung kann infolgedessen leicht angepaßt werden, um gleichzeitig einen geringen "freitragenden" Abstand und eine im Betriebe korrekte Zentrierung zu erreichen, ganz unabhängig, in welcher Richtung der Schub wirkt.

Die Erfindung macht es schließlich möglich, einen bikonkaven Gelenkkörper zu wählen, wie dies in den Fig. und 7 dargestellt ist. In der Fig. 6 sind die beiden Berührungsflächen des Gelenkkörpers 6l sphärische konkave Zonen. Der Gelenkkörper legt sich nach unten an den schwimmenden Ring 63 und nach oben an den festen Abschnitt der Aufnahme 62 mit komplementärer Form an. In .der Fig 7 ist deJ? Gelenkkörper.. %l ebenfalls bikonkav, der schwimmende Ring 75 ist oberhalb angeordnet, während der Gelenkkörper nach unten gegen die Abschnitte mit komplementärer Form der Kugelaufnahme 72 anliegt. Man sieht aus der Stellung der Punkte G und 01 in diesen

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beiden Figuren, daß nur die Ausführungsform der Pig. 6 einem Rotor einer Maschine mit vertikaler Achse gleichzeitig eine korrekte Zentrierung im Betrieb und einen kleinen "freitragenden" Abstand des Schwerpunktes verleiht, jedoch stets unter der Bedingung, daß der Schub des Rotors während des Betriebes nach oben gerichtet ist, wenn der Schwerpunkt G oberhalb des Kugel- oder Schwenklagers liegt.

So kann man allgemein sagen, daß bei den Lagern mit bikonvexen Kugelschalenflächen (Fig. 2) es lediglich möglich ist, eine korrekte Zentrierung zu erreichen, wenn der Schub in der Richtung von dem Schwerpunkt zum Schwenkgelenk läuft, der schwimmende Ring an der Fläche des Gelenkkörpers anliegt, die auf der Seite zum Schwerpunkt liegt. Die bikonkaven Gelenkkörper machen es möglich, eine korrekte Zentrierung zu erhalten, wenn der Schub in der Richtung Kugelgelenk-Schwerpunkt gerichtet ist; der schwimmende Ring liegt dann an derjenigen Kugelgelenkfläche an, die dem Schwerpunkt entgegengesetzt liegt.

Wenn die Betriebsbedingungen dafür geeignet sind, kann man also anstelle eines konkav-konvexen Gelenkkörpers (Fig. 4) einen bikonkaven Gelenkkörper benutzen; dieser letztere hat den Vorteil, wegen seiner Symmetrie einer leichteren und wirtschaftlicheren Bearbeitung und kann außerdem eine wesentlich kleinere axiale Abmessung haben, weil die Aufnahme zwei konkave Kugelschalen umschließt.

Die Fig. 8 zeigt ein Beispiel der Ausführung eines Axialschwenklagers mit konkaven Lagerflächen gemäß der

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Erfindung für eine drehende Maschine mit vertikaler Achse, bei der der Schwerpunkt G des Rotors oberhalb des Lagers liegt, und der Rotor während des Betriebes einen ansteigenden Schub ausübt. Die Fig. 8 zeigt tatsächlich eine Anwendung des Schemas der Fig. ²I-. Die Verbindung mit Drehfreiheit zwischen dem Gelenkkörper 8l und der Welle 83 wird durch ein Führungslager 811 ausgeführt, das durch einen Flussigkeitsfilm in seiner Betriebslage gehalten wird, von der Art, wie sie in der deutschen Patentanmeldung P 25 35 970 vom 21.7.1972 beschrieben ist.

Wie in dieser Patentanmeldung angegeben, hat das Lager bewegliche Lagerschalen, die durch Federdruckstücke gegen die Welle gedrückt werden, so daß sie unter den optimalen hydrodynamischen Bedingungen arbeiten. Das Lager 8ll ist in einen Kammerraum eingebaut, der in der Bohrung des Gelenkkörpers 8l vorgesehen ist, der seinerseits zwischen den Bünden 83I un<ä> 832 der Welle 83 sitzt bzw. eingespannt ist. Der Gelenkkörper 8l ist, um sein Einbauen zu ermöglichen, in einer axialen Ebene in zwei Hälfen teilbar. Der Oberflächenteil der Kugel, der in Zusammenarbeit mit dem entsprechenden Oberfläahenteil der Aufnahme 82 die Festgleitkugelzone zl definiert, ist konkav, und der andere Teil der Kugel, der die schwimmende Zone z2 definiert, ist konvex. Daraus folgt eine rennenswerte Verringerung der Höhe h und eine noch viel merklichere Vergrößerung der Anschlagwinkel a, die durch die Wahl der Halbmesser rl und r2 definiert sind.

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Es sei noch bemerkt, daß die Verwendung eines hydrodynamischen Lagers, wie das oben beschriebene, besonderswagen der geringen Höhe des Lagers vorteilhaft ist. In einem Axiallager, das mit einem kugeligen Gelenkkörper gemäß der Erfindung versehen ist, gilt dies ganz unabhängig davon, ob dieser Gelenkkörper konkavkonvex oder bikonkav ist.

Die Verwendung einer wesentlich größere Abmessungen aufweisenden Lageranordnung, wie die in Pig. I dargestellt ist, würde dazu zwingen;/ den Abstand zwischen den Stützflächen des Gelenkkörpers 8l auf die Stützringe 83I und 832 zu vergrößern und infolgedessen die Längsabmessungen des Axiallagers zu erhöhen, und so einen Teil der Vorteile der Erfindung einzubüßen. Die Wellenbünde sind von den Anschlägflächen bei 833 und 83^ durch eine geeignete Legierung getrennte die eine Gleitlegierung oder eine selbstschmierende Legierung ist.

Die Aufnahme des Kugelschalenkorpers 82 besteht aus einem Gehäuse 821, auf dessen ebenem Bodenteil der schwimmende Ring 822 gleiten kann, der mit der konvexen Fläche des Gelenkkörpers 8l zusammenwirkt, um die schwimmende Gleitzone z2 zu bilden. Das Gehäuse 821 ist von einem Deckel 823 geschlossen, der eine ringförmige Erhöhung aufweist, die mit der konkaven Fläche des Kugelkörpers 8l zusammenwirkt, um die Gleitzone zl zu bilden.

Variationen und Gradienten des Spiels in der Zone z2 treten auf, wenn die Welle 83 geringe Winkelausschläge während des Betriebes der Maschine ausführt die Zone zl sei im Anschlag - sie haben sehr geringe

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Werte, geometrisch von der ersten Ordnung gegenüber den Werten des Spiels, und der Betrieb des Axialschwenklagers wird nicht beeinträchtigt.

Die Halbmesser rl und r2 der Kugelgleitzonen zl und z2 sind in der Fig. 2 als gleich dargestellt. Sie können ohne Nachteil ungleich gewählt werden, wenn der Zwang der Ausführung oder der Verwendung dies bedingen.

Wie bereits angegeben wurde, sind zahlreiche Ausführungs variant en möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Die Erfindung kann beispielsweise in allen den Fällen angewendet werden, in denen ein Kugelgelenk notwendig ist, wo man aber nur über einen begrenzten Raum verfügt. Andererseits kann das Axialschwenklager gemäß der Erfindung jedes bekanntes Führungslager enthalten. Auf jeden Fall - wie man zum Ausdruck gebracht hat - ist die Verwendung eines hydrodynamischen Lagers der in Bezug auf die Fig. 8 beschriebenen Art besonders vorteilhaft wegen seiner geringen Abmessungen.

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Claims

Patentansprüche

Führungsorgan, das eine axiale Schubbewegung einer Welle eines Rotors einer drehenden Maschine relativ zu einem Stator verhindert, aber einen begrenzten Winkelausschlag der Welle in beliebiger Ebene gestattet, der Bauart mit einem Gelenkkörper, der in einer Aufnahme im Stator gelenkig gelagert ist, d a d u r ..c h gekennzeichnet, daß der G_elenkkörper (21, 31, 41, 51, 6l, 71 81) zwei kugelige Gleitzonen (zl, z2) hat, die zu Kugelschalen mit unterschiedlichen Krümmungszentren (01, 02) gehören, und daß eine dieser Gleitzonen mit einer Komplementärfiäche eines Ringes (23, 33, 43, 53, 63, 73, 822) zusammenwirkt, der relativ zur Achse des Rotors in der Aufnahme quer verschiebbar ist.
2. Führungsorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kugelschalengleitzonen (zl, z2) des Gelenkkörpers (21, 31) konvex sind und mit zwei komplementären Flächen der Aufnahme zusammenwirken (Fig. 2 und 3).
3. Führungsorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eine der Kugelschalen-Gleitzonen (zl bzw. z2) des Gelenkkörpers (41, 5I) konvex ist und mit einer komplementären konkaven Fläche der Aufnahme zusammenwirkt, während die andere Kugelschalen-Gleitfläche (z2 bzw. zl) konkav ist und mit einer komplementären konvexen Fläche der Aufnahme zusammenwirkt.

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4. Führungsorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Kugelschalen-Gleitflächen (zl, z2) des Gelenkkörpers (6l, 71) konkav sind und mit zwei komplementären, konvexen Flächen der Aufnahme zusammenwirken.
5. Drehende Maschine mit vertikaler Achse, dadurch gekennzeichnet, daß sie zumindest ein FUhrungsorgan für die Rotorwelle aufweist, das einem der Ansprüche 1 bis 4 entspricht.

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