DE2725572C2 - Hydrodynamisches Gleitlager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein hydrodynamisches Gleitlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein solches, aus der DE-OS 22 35 979 bekanntes hydrodynamisches Gleitlager weist in seinem oberen Teil bewegliche Lagersegmente in Form dicker, in sich starrer Schalen auf, die jeweils an zwei in Umfangsrichtung auseinanderliegenden Stellen durch federbelastete Stifte in einem starren Stützkörper abgestützt sind, und ist in seinem unteren Teil als unbewegliches, als Teil des starren Stützkörpers ausgebildetes Lagersegment gestaltet.

Man kennt hydrodynamische Gleitlager bereits in Form von Kippsegmentlagern und Folienlagern. Kippsegmentlager haben in einem Stützkörper u. U. federnd abgestützte, in sich starre Kippsegmente, während Folienlager eine Vielzahl von in einem Stützkörper feststehend und sich überlappend angeordneten, federnden, dünnen Folien zur Lagerung der Welle aufweisen.

Folienlager haben gegenüber Kippsegmentlagern den Vorteil, daß sich die Folien aufgrund ihrer dünnen und elastischen Ausbildung den dynamischen Wellenbewegungen im Betrieb besser anpassen können als die in sich starren Kippsegments der Kippsegmentlager. Nachteilig ist jedoch, daß ihre Belastbarkeit dadurch begrenzt ist, daß die dünnen Folien sich durch die im Schmierfilm zwischen ihnen und der Welle auftretenden hydrodynamischen Kräfte ausbiegen und die tatsächlich tragende Fläche der Folien im Verhältnis zu ihrer Gesamtfläche nur relativ klein ist. Zur Bewältigung einer großen Arbeitsbelastung, beispielsweise in einem Gasturbinentriebwerk, sind daher hohe Lagerdrücke erforderlich, was jedoch sehr kleine Lagerspiele erfordert, die wiederum die Lagerbelastbarkeit infolge zu großer Erwärmung oder frühzeitiger schleifender Berührung mit der Welle begrenzen.

Es besteht daher d.is Bedürfnis nach einer hydrodynamischen Gleitlagerkonstruktion, welche die hohe Tragfähigkeit von Kippsegmentlagern mit der guten Anpassungsfähigkeit von Folienlagern in sich vereinigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hydrodynamisches Gleitlager der eingangs genannten Gattung zu schaffen, das gegenüber den oben erwähnten bekannten Lagern eine Steigerung der spezifischen Lagerbelastbarkeit gestattet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebene Anordnung gelöst.

Die Abstützung von Lagersegmenten mittels Kipphebeln ist aus der DE-OS 23 62 248 in Verbindung mit beweglich abgestützten, aber in sich starren Kippsegmenten an sich bekannt.

Die Biegeelastizität der Lagersegmente des erfindungsgemäßen Gleitlagers ist so bemessen, daß sich die Lagersegmente unter dem Einfluß der Lagerkräfte nach Art eines relativ steifen Balkens biegen können, wohingegen nur örtliche Schmierfilm-Druckkonzentrationen noch keine Biegeverformung hervorrufen. Aufgrund ihrer Biegeelastizität können sich die Lagersegmente zwischen ihren Unterstützungsstellen durch elastische Biegung besser an die Kontur der Wellenoberfläche anpassen, wodurch über eine größere Länge der Lagersegmente eine im wesentlichen gleichförmige Spaltdickc erzeugt und damit eine bessere Verteilung der im Lager auftretenden Druckkräfte auf eine gegenüber herkömmlichen Lagern größere Fläche der Lagersegmente, bezogen auf deren Gesamtfläche, erreicht wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung, auf welche im Rahmen der folgenden Beispielsbeschreibung im einzelnen eingegangen wird, sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die erfindungsgemäße Gleitlagerkonstruktion kann sowohl bei Radiallagern als auch bei Axiallagern und sowohl bei Flüssigkeitslagern als auch bei Gaslagern Anwendung finden.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden Zeichnungen mehr im einzelnen beschrieben, in welchen zeigt

Fig.1 einen schematischen Querschnitt durch ein hydrodynamisches Gleitlager nach der Erfindung, die

F i g. 2a, 2b und 2c grafische Darstellungen der Spaltprofile im unbelasteten und belasteten Zustand und des Schmierdruckes im Spalt während des Betriebs,

F i g. 3 in auseinandergezogener perspektivischer Darstellung ein Gleitlager nach der Erfindung in näheren konstruktiven Einzelheiten, F i g. 4 einen Querschnitt durch das Lager nach F i g. 3

in zusammengebautem Zustand,

Fig.5 einen Axialhalbschnitt durch das Lager nach F i g. 4 und

Fig.6 im Querschnitt eine weitere Ausführungsform eines Gleitlagers nach der Erfindung.

F i g. 1 zeigt in schematischem Querschnitt ein hydrodynamisches Gleitlager, bei welchem eine Welle 10 über eine Anzahl schalenförmiger Lagersegmente 14 in einer einen starren Stützkörper bildenden Lagerschale 12 gelagert ist. wobei sich im Betrieb zwischen der Wellenoberfläche und den Lagersegmenten ein tragender Schmiermittelfilm bildet.

Die drehrichtungsbezogene Endkante jedes Lagersegments überlappt sich mit der Anfangskante des jeweils folgenden Lagersegments derart, daß eine Abstufung zwischen den Lagerflächen der aufeinanderfolgenden Lagersegmente entsteht und der Lagerspalt 16 zwischen der Weilenoberfläche und jedem Lagersegmtnt eine sich in der Drehrichtung R verjüngende Form hat. Dadurch bildet sich bei umlaufende; Welle ein Schmierfilm im Lagerspal! 16, dessen Druck mi! zunehmender Wellendrehzahl ansteigt, bis der Schmierfilm die Wolle im Lagersegment abhebt und die Welle vollständig auf dem Schmierfilm gleitet.

Die Lagersegmente 14 sind mittels federnder Kipphebel 18 in der als starrer Stützkörper dienenden Lagerschale 12 abgestützt. Die Stellen, an denen die Kipphebel die Lagersegmente i-nterstützen, sind so gewählt, daß sich die in sich biegeelastischen Lagersegmente durch elastische Durchbiegung optimal der Welle anpassen können, um für eine Nenndrehzahl und Nennbelastung der Welle ein optimales Spaltprofil des Lagerspalts zwischen der Welle und jedem Lagersegment zu erhalten.

Es seien nun die auf ein Lagersegment wirkenden Kräfte betrachtet.

Der Schmierdruck im Lagerspalt 16 erzeugt eine Lastverteilung auf dem Lagersegmenl, die sich mit der Spaltdicke ändert, wobei der maximale Druck an der Stelle der minimalen Spaltdicke erzeugt wird. Diese sei der Einfachheit halber als nahe der Druckspitze auf das Lagersegment wirkende Einzellast A betrachtet. Diese Last A wird über den federnden Kipphebel 18, der das Lagersegment an den Stellen Sund Cabstützt, an der Abstützstelle D des Kipphebels an der Lagerschale auf diese übertragen. Die Reaktionskräfte B und C an den Unterstützungsstellen des Lagersegments bewirken eine elastische Durchbiegung des Lagersegments, wodurch dieses sich bei Belastung der Oberflächenkrümmung der Welle besser als im unbelasteten Zustand anpaßt. Ferner tritt an der Anfangskante des Lagersegments eine durch die damit überlappende Endkante des vorhergehenden Segments ausgeübte, nach außen gerichtete Kraft Eauf.

Das optimale Lagerspaltprofil zwischen der Welle und jedem Lagersegment läßt sich durch entsprechende Wahl der Stützstellen S und D erreichen. Da die Lagersegmente als elastische Balken wirken und die für eine gegebene Spaltdicke erzeugten Schmierdruckwerte berechnet werden können, lassen sich auch Lage und Größe der auftretenden Kräfte und somit die Bemessung der Kipphebel berechnen.

Die F i g. 2a, 2b und 2c zeigen grafische Darstellungen der Lagerspaltprofile im unbelasteten und belasteten Zustand und die Druckverteilung im Lagerspalt im Betrieb für eine nachstehend mit Bezug auf die Fig. 3 bis 5 beschriebene spezielle Lagerkonstruktion. Dabei zeigt F i g. 2a das Spaltprofil bei der Belastung Null und stillstehender Welle, Fig 2b das f.paltprofil bei einer Belastung von 114 Ib (510 N), wobei ersichdich ist, daß infolge der Durchbiegung des Lagersegmenis die Spaltdicke über eine beträchtliche Länge vor seiner Endkante im wesentlichen gleichförmig bleibt, und F i g. 2c zeigt das abgeflachte Druckprofil im Schmierfilm zwischen der Welle und einem Lagersegment.

Das in den Fig.3 bis 5 gezeigte, eine Welle 20 lagernde Lager weist wiederum vier schalenartige Lagersegmente 24 auf, deren Krümmungsradius jeweils um einen geringen Betrag, nämlich AR größer als der Wellenradius R ist. Die jeweils mit einer Abstufung 26 versehenen Anfangs- und Endkanten der aufeinanderfolgenden Lagersegmente überlappen einander, und aufgrund unterschiedlicher Abstufungshöhen h 1 und Λ 2 weist bei zusammengebautem Lager die Anfangskante eines Lagersegments jeweils einen größeren Abstand von der Welle auf als die Endkante des vorhergehenden Lagersegments, so daß ein sich in Drehrichtung verjüngender Spalt zwischen jedem Lagersegmen! und der Welle entsteht und sich bei drehender Welle infolge des in den Lagerspalt hineingezogenen Schmiermittels eine Auftriebskraft einstellt, welche die umlaufende Welle vom Lagersegment abhebt.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel, auf welches sich die Diagramme nach den F i g. 2a bis 2c beziehen, beträgt der Wellenradius 47 mm und AR 0,1 mm. Die Abstufung g zwischen der Endkante eines Lagersegments und der Anfangskante des nächsten Lagersegments beträgt bei stillstehender und unbelasteter Welle (außer Eigenlast) 0,1 mm.

Die Lagersegmente 24 sind mittels gekrümmter federnder Kipphebel 28 in der Lagerschale 22 abgestützt. Die Kipphebel und die Lagersegmente sind jeweils durch einen durch die Lagerschale und den betreffenden Kipphebel hindurch in eine Bohrung 32 des betreffenden Lagersegments hineinragenden Stift 30 drehgesichert. Jeder Kipphebel weist an seinen beiden Enden eine radial einwärts ragende Rippe 34 bzw. 36 auf, welche das betreffende Lagersegment an einer zwischen seinen beiden Enden gelegenen Stelle bzw. die mit dessen Endkante überlappende Anfangskante des nächsten Lagersegments unterstützt. Mit einer radial auswärts ragenden Rippe 38 stützt sich jeder Kipphebel an der Lagerschale an. Die federnden Kipphebel können damit die erforderliche Vorspannkraft auf die Lagersegmente ausüben, um die Welle in ihrer Ruhestellung festzulegen.

Sobald sich bei umlaufender Welle ein ausreichender Schmierdruck im Lagerspalt aufgebaut hat, um die Vorspannung der Lagersegmente zu überwinden, heben sich diese von der Welle ab, die dann von einem dünnen Schmierfilm zwischen der Welle und den Lagersegmen-

ten getragen wird. Eine dann auf die Welle wirkende Radialkraft hat folgende Wirkung:

Durch eine radiale Auslenkung der Welle verringert sich die Spaltdicke zwischen der Welle und dem betreffenden Lagersegment, wodurch der Druck im Schmierfilm und folglich der Druck auf das betreffende Lagersegment ansteigt, welches ebenfalls radial nach außen auszulenken versucht. Wegen der überlappenden Anordnung der Lagersegmente bewirkt eine Auslenkung ^er Endkante eines Lagersegments eine entsprechende Auslenkung der Anfangskante des nächsten Lagersegments, so daß sich die Abstufungshöhe g zwischen den aufeinanderfolgenden Segmenten nicht verändern kann. Die Lagersegmente bewegen sich

deshalb insgesamt in Richtung der Wellenauslenkung, wodurch die Vorspannkraft auf der einen Seite des Lagers erhöht und auf der anderen Seite verringert wird.

Wie aus Fig. 5 hervorgeht, sind die Lagersegmente ί mittels stirnseitiger Ringe 41, die ihrerseits durch Federringe 44 in der Lagerschale fixiert sind, auch bei ausgebauter Welle in ihrer Lage gesichert.

Bei dem eben beschriebenen Ausführungsbeispiel haben die Lagersegmente eine Dicke von 3,5 mm und κι die Konstruktionsdrehzahl der Welle, für welche das Lager ausgelegt ist, beträgt nur 10 000 U/min. Für höhere Wellendrehzahlen und höhere Belastungen kann als Anhaltswert für die Dicke der Lagersegmente etwa 1,5 mm pro 25 mm Wellendurchmesser genannt werden, r> Fig.6 zeigt ein Ausführungsbeispiei mit einander nicht überlappenden Lagersegmenten 40. Die Lagersegmente 40 werden von federnden, gleichzeitig als Lagesicherung dienenden Kipphebeln 42 in der Lagerschale 22 abgestützt, wobei die Kipphebel jeweils zwei Rippen 44 und 46 aufweisen, welche das betreffende Lagersegment beide unmittelbar unterstützen, und eine äußere Rippe 50, die in der Wirkungslinie der Resultierenden der Schmierdruckkräfte im Lagerspalt liegt, dient der Abstützung des Kipphebels in der Lagerschale. Außerdem sind die Kipphebel 42 an ihren Enden mit Haken versehen, welche die Enden des betreffenden Lagersegments 40 umgreifen. Dadurch wird die bei Belastung auftretende Verformung des betreffenden Lagersegments in Anpassung an die Wellenkontur durch Mitnehmerwirkung der Kipphebelhaken verbessert.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Hydrodynamisches Gleitlager mit einem starren Stützkörper und mit einer Anzahl von Lagersegmenten, die an mindestens zwei in Richtung der -j Relativdrehung zwischen den Lagersegmenten und der Welle auseinanderliegenden Stellen im Stützkörper abgestützt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagersegmente (14; 24; 40) in Umfangsrichtung des Lagers in sich biegeelastisch, jedoch so starr ausgebildet sind, daß sie durch die hydrodynamischen Kräfte im Schmierfilm nicht örtlich ausgebogen werden, und daß jedem Lagersegment zur Abstützung im Stützkörper (12; 22) ein zweiarmiger Kipphebel (18; 28; 42) zugeordnet ist, der im Hebeldrehpunkt am Stützkörper anliegt und der das betreffende Lagersegment mit seinem einen Hebelende an einer zwischen der drehrichtungsbezogenen Segmentanfangskante und der Resultierenden der auf das Lagersegment wirkenden Druckkräfte gelegenen Stelle und mit seinem anderen Hebelende im Bereich der Segmentendkante unterstützt.

2. Hydrodynamisches Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Endkantenbereich jedes Lagersegments (14; 24) unter Bildung einer in Drehrichtung zurückspringenden Abstufung (g) der Gleitfläche mit dem Anfangskantenbereich des folgenden Lagersegments überlappt und mittelbar über diesen Anfangskantenbereich des folgenden Lagersegments von dem betreffenden Ende des zugehörige" Kipphebels (18; 28) unterstützt ist.

3. Hydrodynamisches Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kipphebel (42) an ihren Enden mit Haken versehen sind, welche die r, Enden des jeweils zugeordneten Lagersegments (40) umgreifen.

4. Hydrodynamisches Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kipphebel (18; 28;42) federnd nachgiebig sind.

5. Hydrodynamisches Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kipphebel (28; 42) und die Lagersegmente (24; 40) mittels durch die Kipphebel hindurch verlaufender Stifte (30) drehfest im Stützkörper (22) arretiert sind.