Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleitlagerschmierung
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aus der DE-PS 5 58 786 ist eine Gleitlagerschmierung be
kannt geworden, bei der ein Ölförderring eine horizontal
gelagerte Welle exzentrisch umgibt, wobei der Durchmesser
des Ölförderrings größer ist als der Durchmesser der Welle.
Der Ölförderring wird vom oberen Bereich der Welle getragen
und taucht im unteren Bereich in ein Schmiermittelreservoir
ein, um bei seiner Drehung Schmiermittel auf die Welle zu
leiten. Einander gegenüberliegende achsparallele Abstreif
nasen im oberen Bereich der Welle wirken mit den Stirnseiten des Ölförder
rings zusammen, um Schmiermittel abzustreifen. Es ist aus der
US-PS 16 53 377 ferner bekannt, einen zwischen zwei radialen
axial beabstandeten Bunden angeordneten Ölförderring mit bügel
artigen Abstreifern zu umgeben. Diese treten jedoch mit dem Öl
förderring nicht in Eingriff.
Aus DE-Z. "Konstruktion 9. (1957) Heft 2; S. 74-77" ist bekannt
geworden, eine Ringnut in die innere Umfangsfläche eines Ölför
derrings zu formen. In diesem Zusammenhang ist ferner bekannt
geworden, insbesondere für glatte Ringe das Öl von der Aus
senseite durch einen federbelasteten Streifer abzuschaben.
Beim Einsatz von Ölförderringen hat sich gezeigt, daß sich durch
Schwerkraft und Reibung eine ausreichende Menge Öl in die ge
wünschten Bereiche transportieren läßt. Bei höherer Geschwindig
keit bewegt sich aber der Ölring entweder zu schnell, als daß
eine Dispersion des Öls durch Schwerkraft erfolgen könnte, oder
die auf den Ölförderring und das Öl wirkende Zentrifugalkraft
ist zu groß, so daß das Öl entweder auf dem Ring verbleibt oder
herausgeschleudert wird. Dadurch erreicht das Schmiermittel
nicht die gewünschten Bereiche, was zu einer frühzeitigen Ab
nutzung der Welle, des Lagers, des Ölförderrings oder anderer
Teile führt. Dieses Problem kann durch die seitlich an den Öl
förderring angreifenden Abstreifernasen oder einen das Öl von
der Außenseite abschabenden Streifer gemäß des eingangs genannten
Standes der Technik nur unzureichend gelöst werden. Sie streifen
nur das Öl am Rand des Ölförderrings ab und können zu einer defi
nierten Reibung beitragen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schmierfähigkeit von Öl
förderringen zu verbessern und damit den mög
lichen Verschleiß von Gleitlagern zu verringern.
Diese Aufgabe wird durch den Kennzeichnungsteil des Patent
anspruches 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Gleitlagerschmierung ist ein
auslegerartig angebrachtes, sich keilförmig zum freien
Ende verjüngendes Abstreifblatt innerhalb des Ölförderrings
am Gleitlager angeordnet. Das Abstreifblatt erstreckt sich
mit seinem freien Ende in die Ringnut hinein.
Mit Hilfe des Abstreifblattes läßt sich eine definierte
Reibung und damit ein definiertes Bremsen des Ölförder
rings erreichen, ohne daß der Ölförderring einem starken
Verschleiß ausgesetzt ist. Vor allen Dingen aber führt das
Abstreifblatt zu einer vorteilhaften Verteilung des Schmier
mittels im gewünschten Lagerbereich, und zwar bei allen
vorkommenden Drehzahlwerten, insbesondere bei höheren Dreh
zahlen.
Dadurch, daß das freie Ende des Abstreifblatts sich in die
Ringnut hineinerstreckt, wird eine Taumelbewegung des Öl
förderrings begrenzt. Eine Führung durch seitlich begren
zende Ringe oder Bunde ist nicht erforderlich.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in wei
teren Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen
näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch ein Gleitlager mit einer
Gleitlagerschmierung nach der Erfindung.
Fig. 2 zeigt perspektivisch mit teilweise fortgebroche
nen Teilen die Gleitlagerschmierung nach der Er
findung.
Fig. 3 zeigt perspektivisch einen Ausschnitt der Darstel
lung nach Fig. 2.
Fig. 4 zeigt schematisch im Schnitt die erfindungsgemäße
Gleitlagerschmierung.
Fig. 5 zeigt eine ähnliche Darstellung wie Fig. 4, wobei
jedoch ein zusätzliches Merkmal dargestellt ist.
Fig. 6 zeigt ein Diagramm für die Ölabgabemenge pro
Zeiteinheit bei unterschiedlichen Drehzahlen.
Fig. 7 zeigt im Diagramm die Ölabgabemenge pro Zeitein
heit für drei verschiedene Ölförderringe bei ver
schiedenen Drehzahlen.
Fig. 8 zeigt ein Diagramm für die Ölabgabemenge pro Zeit
einheit für einen einzigen Ölförderring bei verschie
denen Drehzahlen.
Fig. 9 zeigt ein Diagramm für die Ölabgabemenge pro
Zeiteinheit bei verschiedenen Drehzahlen für
drei verschiedene Schmiermittel.
Fig. 10 zeigt ein Diagramm für die Ölabgabemenge pro Zeit
einheit bei verschiedenen Drehzahlen für die Aus
führungsform nach Fig. 5.
Es wird nunmehr im einzelnen auf die Zeichnungen, insbe
sondere auf Fig. 1 Bezug genommen, in welcher mit 10 all
gemein eine Gleitlagerschmierung bezeichnet ist. Sie ist
für ein Wellenlager 12 vorgesehen. Ein Ölförderring 19 ist
lose um eine umlaufende Welle 14 herum angeordnet und
läuft mit ihr in zu erläuternder Weise um. Er läuft in
einem Ringschlitz 16 und taucht in ein Schmiermittelre
servoir 18 ein und trägt beim Umlauf das Schmiermittel nach
oben auf die Welle und zu den Lagerflächen.
Fig. 3 zeigt einen Teilschnitt durch den Ölförderring 19.
Der relative Winkel, den schräge Seitenflächen 20, 21 zu
radialen Seitenflächen 22, 23 einnehmen, hat eine große
Wirkung auf die Ölabgabe, wie aus Fig. 3 zu entnehmen.
Wenn der Winkel der Seitenflächen 20, 21 sich Null Grad
nähert, nähert sich die im Ringschlitz 16 wirksame Hem
mung dem höchstmöglichen Wert. Dies veranlaßt den Ring 19,
unregelmäßig zu arbeiten, und die Ölabgabe vermindert sich
infolge unzureichender Ringgeschwindigkeit. Wenn der Win
kel der Seitenflächen 20, 21 erhöht wird, tritt eine Ver
kürzung der Seitenlänge der Flächen 22, 23 ein, die Öl
abgabe steigt entsprechend an, und das Schmiermittel wird
durch die Umlaufkräfte vom Ring 19 fortgeschleudert. Der
optimale Winkel für die Seitenflächen 20, 21 liegt bei
etwa 30°, unabhängig vom Durchmesser des Ringes 19 oder
der Tiefe einer inneren Ringnut 24.
Bei geringer Wellendrehzahl folgt der Ölring 19 der Welle,
und beide haben etwa die gleiche Umfangsgeschwindigkeit.
Wenn die Umfangsgeschwindigkeit der Welle 14 zunimmt,
wird ein Übergangspunkt erreicht, bei welchem ein hydro
dynamischer Schmierfilm beginnt, sich zu etablieren, wo
bei ein erheblicher Schlupf auftritt und eine beträchtli
che Abnahme der Ölringgeschwindigkeit. Die Ringgeschwindig
keit am Übergangspunkt wird als die primäre Ringgeschwindig
keit mit Bezug auf die Wellengeschwindigkeit angesehen, die
in Fig. 8 mit N 1 bezeichnet wird. Die Beziehung an diesem
Punkt ist dUr/dUs=0, bei Ur=N 1, wobei N 1 gleich der primären
Ölringgeschwindigkeit ist, Ur gleich der Oberflächenge
schwindigkeit am Innendurchmesser des Ringes 19 und
Us gleich der Oberflächengeschwindigkeit der Welle ist.
Die primäre Geschwindigkeit des Ölringes 19 ist eine kom
binierte Funktion aus Ringgewicht, seiner Form, der vor
stehenden Kontaktbereiche, der Wellengeschwindigkeit, der
Viskosität des Schmiermittels und der örtlichen Temperatur.
Wenn die Wellengeschwindigkeit zunimmt und somit die Ge
schwindigkeit des Ringes 19 über die Primärgeschwindigkeit
hinaus erhöht, dann bildet sich definitiv ein hydrodynami
scher Schmiermittelfilm zwischen dem Ring 19 und der Welle.
Der Punkt, an welchem die Umlaufgeschwindigkeit des Rin
ges 19 ein Gleichgewicht zwischen der Antriebskraft im
Kontaktbereich zwischen Ring und Welle und der auf den
Ring einwirkenden Schmiermittelhemmung darstellt, wird
als sekundäre Geschwindigkeit oder N 2 bezeichnet. Dieser
Punkt ist auch in Fig. 8 gezeigt und die Beziehung ist
als dUr/dUs=0 ausgedrückt, wobei Ur=N 2 ist. Die sekundäre
Geschwindigkeit ist auch eine Funktion zahlreicher Para
meter, einschließlich der Wellengeschwindigkeit, der Vis
kosität des Öls, der Eintauchtiefe des Ringes 19, sowie der
Ringform. Beispielsweise ist die sekundäre Geschwindigkeit
N 2 um so niedriger, je größer die Höhe der radialen Sei
tenflächen 22, 23 ist.
Oberhalb der sekundären Geschwindigkeit nimmt die
Schmiermittelabgabe mit zunehmender Ringgeschwindigkeit
sehr schnell zu. Auch wird bei zunehmender Wellenge
schwindigkeit der Ring 19 über einen dickeren Schmier
mittelfilm gänzlich durch hydrodynamische Wirkung ange
trieben. Wenn als Folge der schnelleren Rotation mehr
Schmiermittel von dem Reservoir abgezogen wird, nimmt
die Hemmung infolge der verminderten Eintauchtiefe des
Ringes 19 ab. Während Untersuchungen zeigten verschiedene
Ringe bei einer bestimmten Wellengeschwindigkeit oberhalb
der sekundären Geschwindigkeit N 2 eine übermäßige Schwingung.
Die Schwingungsarten konnten ohne weiteres beobachtet wer
den, es waren translatorische, konische und oszillierende
Schwingungen, wobei sie mit einer oszillierenden Schwin
gung eingeleitet wurden. Die Amplitude der Schwingungen
nimmt mit zunehmender Wellengeschwindigkeit zu. Diese
Ringgeschwindigkeit wird als die tertiäre Geschwindigkeit
bezeichnet, die in Fig. 8 mit N 3 bezeichnet wird. Die
tertiäre Ringgeschwindigkeit N 3 wird für die erste kri
tische Starrkörpergeschwindigkeit des Ringes gehalten.
Wenn die Wellengeschwindigkeit über die tertiäre Geschwin
digkeit hinaus in den instabilen Bereich hinein zu
nimmt, löst die instabile Bewegung des Ringes ein Fort
schleudern von Schmiermittel sowohl vom Ring als auch
von der Welle aus. Dieses Fortschleudern und Ver
sprühen wird so heftig, daß die Schmiermittelabgabe
rapide abnimmt, wie in Fig. 8 gezeigt. Oberhalb der
tertiären Geschwindigkeit N 3 verbleibt ungeachtet der
Wellengeschwindigkeit die Umlaufgeschwindigkeit des
Ringes entweder konstant oder fällt ab. Verschiedene
spezifische Faktoren beeinflussen diese tertiäre Ge
schwindigkeit, wie beispielsweise die Ringform, die Ge
staltung der Ringbohrung, welche in starkem Maße die hy
drodynamische Steifheit des Ringes bestimmt, das Gewicht
oder die Masse des Ringes sowie der Ringdurchmesser; ein
großer Ring hat beispielsweise eine niedrigere tertiäre
Geschwindigkeit. Die Auswirkungen einer Änderung in der
Viskosität des Schmiermittels auf die Ringgeschwindigkeit
und die Schmiermittelabgabe wurden unter Verwendung von
Schmiermitteln von SAE 10, 20 und 30 wt. untersucht, und
es wurde festgestellt, daß die Viskosität die primäre
und sekundäre Geschwindigkeit des Ringes beeinträchtigt;
die tertiäre Geschwindigkeit war jedoch von der Viskosi
tät unabhängig.
Es können bei der Herstellung des Ringes 19 verschiedene
Materialien verwendet werden, wie beispielsweise Messing,
Muntz (60% Cu, 40% Zn) und Bronze (SEA-660). Unter Ver
wendung von Schmiermittel SAE 10 bei 38°C und einer Ring
eintauchtiefe von 15% des Ringdurchmessers und den er
wähnten Materialien durchgeführte Tests zeigten, daß
Bronze eine Ölabgabe von etwa 10% mehr erreichte als
die anderen geprüften Materialien. Tests zu Abnutzungs
eigenschaften, bestehend aus 30 000 Start-Stopp-Takten
und 7200 Stunden ununterbrochenem Betrieb bei 1800 U/min
mit dem Schmiermittel SAE 10 zeigten beim Messingring
eine geringere Abnutzung, jedoch waren die Unterschiede
gering.
Es wird nunmehr wiederum auf Fig. 2 Bezug genommen, die
den Ölförderring 19 zeigt, der um die Welle 14 herum an
geordnet ist. Die Welle ist in einer Lagerschale 40 dreh
bar, welche von beliebiger Art sein kann, und der Umlauf
ist in Richtung des Pfeils. Ein Mittel zum Trennen des
Schmiermittels vom Ring 19 ist ein auslegerartiges
Abstreifblatt 42, das an der Lagerschale mittels Schrau
ben 46 befestigt ist. Das Abstreifblatt 42 hat eine zum
freien Ende konvergierende Keilform und ist so gelagert,
daß die Drehrichtung der Welle 14 in Richtung auf das
freie Ende 48 des Blattes 42 ist. Das freie Ende 48 liegt
in einer Nut 24 des Ringes 19; das Blatt kann aus ir
gendeinem geeigneten Material wie beispielsweise Stahl
blech bestehen. Die Konstruktion wurde durch Experimente
optimiert, und es wurde festgestellt, daß ein Blech mit
einer Dicke von annähernd 0,5 mm und einem Bogen von an
nähernd 70° bei jeder beliebigen Ring- und Wellenkombi
nation optimale Leistung erbringt. Das gekrümmte Blech
wird durch 10% des Gewichtes des Ringes vorgespannt
und nimmt annähernd die durch 50A in Fig. 4 bezeichne
te Stellung ein, wenn die Welle in Ruhe ist, und es ge
stattet dadurch den Außenkanten des Ringes 19, die Welle
14 zu berühren. Beim Umlauf der Welle und des Ringes
wird durch die innere Nut 24 und zwei äußere Nuten 52
und 54, die jeweils auf einer Seite des Ringes 19 ange
ordnet sind, Schmiermittel aus dem Reservoir 18 nach oben
getragen. Das Schmiermittel wird gesammelt und durch das
Abstreifblatt 42 von der Nut 24 abgestreift, woraufhin
das Schmiermittel auf die Welle und die Lagerflächen
aufgebracht wird. Die Vorspannung des Abstreifblattes 42
gewährleistet eine Federung, wodurch die Berührung zwischen
dem Ring 19 und der Welle 14 und damit die Abnutzung dieser
Teile beim Starten auf ein Minimum herabgesetzt wird, was
zur Stabilisierung des Ringes 19 bei hohen Betriebsgeschwin
digkeiten beiträgt.
Wie in den Fig. 2 und 4 gezeigt, ist die Drehbewegung
der Welle und des Ringes 19 normalerweise in Richtung auf
das feste Ende des Blattes. Infolge der breiten Form des
Abstreifblattes am festen Ende nimmt die Steifheit des Ab
streifblattes von der vorderen Kante zum festen Ende hin
zu. Diese Konstruktion dient auch zum Sammeln des abge
streiften Schmiermittels und zur Lenkung desselben in eine
axiale Verteilnut (nicht gezeigt) des Lagers. Das freie
Ende 48 des Abstreifblattes sowie seine Lage in der
Nut 24 verleiht dem Ring eine Zentrierwirkung und ver
hindert dadurch eine übermäßige Seitenhemmung des Rin
ges 19 im Ringschlitz 16. Außerdem verleiht das freie
Ende 48 dem Ring eine äußere Dämpfung und Steifheit in
folge des zwischen dem Abstreifblatt und dem Ring 19
erzeugten hydrodynamischen Druckes. Wenn die Ringge
schwindigkeit mit zunehmender Wellengeschwindigkeit zu
nimmt und mehr Schmiermittel durch den Ring 19 nach oben
gefördert wird, wird das Abstreifblatt nach außen gedrückt,
annähernd in die Stellung 50 B in Fig. 4. Die Auswärtsbewe
gung erzeugt dadurch eine divergierende Keilform, welche
gemeinsam mit dem erzeugten hydrodynamischen Öldruck ei
nen Bremsmechanismus für den Ring 19 bildet, der diesen
während des Betriebes bei hoher Geschwindigkeit unter zu
nehmender Ölabgabe stabilisiert. Hierdurch wird die Not
wendigkeit ausgeschaltet, eine verschiedene Anzahl von
Nuten für verschiedene Wellengeschwindigkeiten und
-größen in den Ring einzuarbeiten. Wenn die Wellengeschwin
digkeit noch weiter zunimmt, wird die Divergenzwirkung
ausgeprägter. Der Ring nimmt etwa die in Fig. 4 mit 50C
bezeichnete Stellung ein, was die erwünschte Wirkung ist,
da eine ausgeprägtere Divergenz bei höherer Wellengeschwin
digkeit einen noch besseren, stabilisierenden Einfluß und
eine geringere Ringgeschwindigkeit zur Folge hat.
Die Auswirkung unterschiedlicher Nuttiefen 24 auf die
Schmiermittelabgabe bei verschiedenen Wellengeschwindig
keiten ist in Fig. 7 aufgetragen. Die drei getesteten
Ringe waren identisch, abgesehen von der Abweichung in
der Tiefe der inneren Nut, die D=1,05 mm, D=1,52 mm und
D= 3,20 mm betrug. Aus diesen Daten wurde die optimale
Tiefe von annähernd 1,52 mm ausgewählt, die etwa das Zehn
fache der Ölabgabe von Ringen mit flacheren oder tieferen
Nuten erbrachte. Der Ring 19 mit einer ungefähren Tiefe
von 1,52 mm wurde als Ring Nr. 5 bezeichnet und mit und
ohne Abstreifblatt 42 getestet. Die Ergebnisse wurden in
Fig. 6 aufgetragen. Bei Durchführung des Tests mit dem
Ring ohne Abstreifblatt trat Instabilität bei einer Wel
lendrehzahl von etwa 1800 U/min und einer Ringdrehzahl
von etwa 180 U/min auf, und die Welle konnte nicht höher
als etwa 2500 U/min gefahren werden. Die Ölabgabe war
auf etwa 1200 cc/min begrenzt. Ein Test desselben Ringes
mit dem Abstreifblatt 42 erlaubte eine Wellendrehzahl bis
zu etwa 3200 U/min und darüber bei einer Ölabgabe von etwa
2100 cc/min bei 1800 U/min und einer erreichbaren Ölabgabe
von etwa 3200 cc/min bei 1800 U/min; die letztgenannte
ist in Fig. 7 aufgetragen. Beide in den Fig. 6 und 7
aufgetragenen Tests wurden mit dem Schmiermittel SAE 20 wt
gefahren. Die in Fig. 7 ersichtliche erhöhte Ölabgabe kann
daher einer höheren Schmiermitteltemperatur zugeschrieben
werden, die bei dem in Fig. 7 gezeigten Test 48,8°C am
Einlaß betrug, während bei dem in Fig. 6 gezeigten Test
die Schmiermitteltemperatur am Einlaß 37,8°C betrug. Die
Auswirkungen von Abweichungen in der Viskosität des
Schmiermittels sind in Fig. 9 für Schmiermittel mit SAE-
Klassifizierungen von 10, 20 und 30 aufgetragen. Wie er
sichtlich, zeigten schwerere Schmiermittel deutliche Zu
nahmen in der Ölabgabe, was ein wünschenswerter Faktor ist,
insbesondere bei Anwendungen in großen Lagern, wo die
Verwendung schwerer Schmiermittel und höherer Drehzahlen
allgemein üblich ist.
In Fällen, wo Wellenlager in zwei Richtungen betrieben
werden, wird eine zusätzliche Sammelvorrichtung verwen
det in Form eines Ölsammelblatts 60, das mit Schrauben 62
gegenüber dem Abstreifblatt 42, wie in Fig. 5 gezeigt, an
der Lagerschale 40 befestigt ist. Das Sammelblatt 60
richtet das abgegebene Schmiermittel in eine Zufuhrnut
(nicht gezeigt) der Lagerachse, wo es verteilt wird und von wo es
schließlich in das Reservoir zurückkehrt. Die Ölabgabe
als eine Funktion der Wellendrehzahl in einem Zweirich
tungslager ist in Fig. 10 für einen Umlauf in Richtung
auf das Abstreifblatt 42 zu und von ihm fort aufgetragen.
Während ein leichter Abfall in der Ölabgabe beobachtet
wird, ist die Abgabe doch gegenüber derjenigen für einen
herkömmlichen Ölring erhöht. Es ist daher wünschenswert,
in ein Zweirichtungslager das Sammelblatt 60 einzusetzen.
Wo ungeachtet dessen infolge der Größe der Lager oder
anderer Faktoren ein äußeres Schmiersystem erforderlich
ist, ist die Hinzufügung des Sammelblatts 60 dennoch
ratsam wegen des schnellen Anstiegs in der Ölabgabe, der
von Beginn an beobachtet wird und wegen der Abnutzung
des Lagers, der Welle und des Ringes selbst beim Start.
: