DE3445605C3 - Gleitlagerschmierung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Gleitlagerschmierung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Aus der DE-PS 5 58 786 ist eine Gleitlagerschmierung bekannt 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 Abstreifnasen im oberen Bereich der Welle wirken mit den Stirnseiten des Ölförderrings 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 bügelartigen Abstreifern zu umgeben. Diese treten jedoch mit dem Ölförderring nicht in Eingriff.

Aus DE-Z. "Konstruktion 9. (1957) Heft 2; S. 74-77" ist bekannt geworden, eine Ringnut in die innere Umfangsfläche eines Ölförderrings zu formen. In diesem Zusammenhang ist ferner bekannt geworden, insbesondere für glatte Ringe das Öl von der Außenseite durch einen federbelasteten Streifer abzuschaben.

Beim Einsatz von Ölförderringen hat sich gezeigt, daß sich durch Schwerkraft und Reibung eine ausreichende Menge Öl in die gewünschten Bereiche transportieren läßt. Bei höherer Geschwindigkeit 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 Abnutzung der Welle, des Lagers, des Ölförderrings oder anderer Teile führt. Dieses Problem kann durch die seitlich an den Ölförderring 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 definierten Reibung beitragen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Schmierfähigkeit von Ölförderringen zu verbessern und damit den möglichen Verschleiß von Gleitlagern zu verringern.

Diese Aufgabe wird durch den Kennzeichnungsteil des Patentanspruches 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 Ölförderrings erreichen ohne daß der Ölförderring einem starken Verschleiß ausgesetzt ist. Vor allen Dingen aber führt das Abstreifblatt zu einer vorteilhaften Verteilung des Schmiermittels im gewünschten Lagerbereich, und zwar bei allen vorkommenden Drehzahlwerten, insbesondere bei höheren Drehzahlen.

Dadurch, daß das freie Ende des Abstreifblatts sich in die Ringnut hineinerstreckt, wird eine Taumelbewegung des Ölförderrings begrenzt. Eine Führung durch seitlich begrenzende Ringe oder Bunde ist nicht erforderlich.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren 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 fortgebrochenen Teilen die Gleitlagerschmierung nach der Erfindung.

Fig. 3 zeigt perspektivisch einen Ausschnitt der Darstellung 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 Zeiteinheit für drei verschiedene Ölförderringe bei verschiedenen Drehzahlen.

Fig. 8 zeigt ein Diagramm für die Ölabgabemenge pro Zeiteinheit für einen einzigen Ölförderring bei verschiedenen 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 Zeiteinheit bei verschiedenen Drehzahlen für die Ausführungsformen nach Fig. 5.

Es wird nunmehr im einzelnen auf die Zeichnungen, insbesondere auf Fig. 1 Bezug genommen, in welcher mit 10 allgemein 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 Schmiermittelreservoir 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 Hemmung dem höchstmöglichen Wert. Dies veranlaßt den Ring 19, unregelmäßig zu arbeiten, und die Ölabgabe vermindert sich infolge unzureichender Ringgeschwindigkeit. Wenn der Winkel der Seitenflächen 20, 21 erhöht wird, tritt eine Verkürzung der Seitenlänge der Flächen 22, 23 ein, die Ölabgabe 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 hydrodynamischer Schmierfilm beginnt, sich zu etablieren, wobei ein erheblicher Schlupf auftritt und eine beträchtliche Abnahme der Ölringgeschwindigkeit. Die Ringgeschwindigkeit am Übergangspunkt wird als die primäre Ringgeschwindigkeit mit Bezug auf die Wellengeschwindigkeit angesehen, die in Fig. 8 mit N₁ bezeichnet wird. Die Beziehung an diesem Punkt ist dUr/dUs = 0, bei Ur = N₁, wobei N₁ gleich der primären Ölringgeschwindigkeit ist, Ur gleich der Oberflächengeschwindigkeit am Innendurchmesser des Ringes 19 und Us gleich der Oberflächengeschwindigkeit der Welle ist.

Der primäre Geschwindigkeit des Ölringes 19 ist eine kombinierte Funktion aus Ringgewicht, seiner Form, der vorstehenden Kontaktbereiche, der Wellengeschwindigkeit, der Viskosität des Schmiermittels und der örtlichen Temperatur. Wenn die Wellengeschwindigkeit zunimmt und somit die Geschwindigkeit des Ringes 19 über die Primärgeschwindigkeit hinaus erhöht, dann bildet sich definitiv ein hydrodynamischer Schmiermittelfilm zwischen dem Ring 19 und der Welle. Der Punkt, an welchem die Umlaufgeschwindigkeit des Ringes 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 N₂ bezeichnet. Dieser Punkt ist auch in Fig. 8 gezeigt und die Beziehung ist als dUr/dUs = 0 ausgedrückt, wobei Ur = N₂ ist. Die sekundäre Geschwindigkeit ist auch eine Funktion zahlreicher Parameter, einschließlich der Wellengeschwindigkeit, der Viskosität des Öls, der Eintauchtiefe des Ringes 19, sowie der Ringform. Beispielsweise ist die sekundäre Geschwindigkeit N₂ um so niedriger, je größer die Höhe der radialen Seitenflächen 22, 23 ist.

Oberhalb der sekundären Geschwindigkeit nimmt die Schmiermittelabgabe mit zunehmender Ringgeschwindigkeit sehr schnell zu. Auch wird bei zunehmender Wellengeschwindigkeit der Ring 19 über einen dickeren Schmiermittelfilm gänzlich durch hydrodynamische Wirkung angetrieben. 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 N₂ eine übermäßige Schwingung. Die Schwingungsarten konnten ohne weiteres beobachtet werden, es waren translatorische, konische und oszillierende Schwingungen, wobei sie mit einer oszillierenden Schwingung eingeleitet wurden. Die Amplitude der Schwingungen nimmt mit zunehmender Wellengeschwindigkeit zu. Diese Ringgeschwindigkeit wird als die tertiäre Geschwindigkeit bezeichnet, die in Fig. 8 mit N₃ bezeichnet wird. Die tertiäre Ringgeschwindigkeit N₃ wird für die erste kritische Starrkörpergeschwindigkeit des Ringes gehalten.

Wenn die Wellengeschwindigkeit über die tertiäre Geschwindigkeit hinaus in den instabilen Bereich hinein zunimmt, löst die instabile Bewegung des Ringes ein Fortschleudern von Schmiermittel sowohl vom Ring als auch von der Welle aus. Dieses Fortschleudern und Versprühen wird so heftig, daß die Schmiermittelabgabe rapide abnimmt, wie in Fig. 8 gezeigt. Oberhalb der tertiären Geschwindigkeit N₃ verbleibt ungeachtet der Wellengeschwindigkeit die Umlaufgeschwindigkeit des Ringes entweder konstant oder fällt ab. Verschiedene spezifische Faktoren beeinflussen diese tertiäre Geschwindigkeit, wie beispielsweise die Ringform, die Gestaltung der Ringbohrung, welche in starkem Maße die hydrodynamische 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 Viskosität 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 Verwendung von Schmiermittel SAE 10 bei 38°C und einer Ringeintauchtiefe von 15% des Ringdurchmessers und den erwähnten Materialien durchgeführte Tests zeigten, daß Bronze eine Ölabgabe von etwa 10% mehr erreichte als die anderen geprüften Materialien. Tests zu Abnutzungseigenschaften, 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 angeordnet ist. Die Welle ist in einer Lagerschale 40 drehbar, 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 Schrauben 46 befestigt ist. Das Abstreifblatt 42 hat eine zum freien Ende konvergierenden 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 irgendeinem geeigneten Material wie beispielsweise Stahlblech 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 annähernd 70° bei jeder beliebigen Ring- und Wellenkombination optimale Leistung erbringt. Das gekrümmte Blech wird durch 10% des Gewichtes des Ringes vorgespannt und nimmt annähernd die durch 50A in Fig. 4 bezeichnete Stellung ein, wenn die Welle in Ruhe ist, und es gestattet 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 angeordnet 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 Betriebsgeschwindigkeiten 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 Abstreifblattes von der vorderen Kante zu festen Ende hin zu. Diese Konstruktion dient auch zum Sammeln des abgestreiften 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 verhindert dadurch eine übermäßige Seitenhemmung des Ringes 19 im Ringschlitz 16. Außerdem verleiht das freie Ende 48 dem Ring eine äußere Dämpfung und Steifheit infolge des zwischen dem Abstreifblatt und dem Ring 19 erzeugten hydrodynamischen Druckes. Wenn die Ringgeschwindigkeit mit zunehmender Wellengeschwindigkeit zunimmt und mehr Schmiermittel durch den Ring 19 nach oben gefördert wird, wird das Abstreifblatt nach außen gedrückt, annähernd in die Stellung 50B in Fig. 4. Die Auswärtsbewegung erzeugt dadurch eine divergierende Keilform, welche gemeinsam mit dem erzeugten hydrodynamischen Öldruck einen Bremsmechanismus für den Ring 19 bildet, der diesen während des Betriebes bei hoher Geschwindigkeit unter zunehmender Ölabgabe stabilisiert. Hierdurch wird die Notwendigkeit ausgeschaltet, eine verschiedene Anzahl von Nuten für verschiedene Wellengeschwindigkeiten und -größen in den Ring einzuarbeiten. Wenn die Wellengeschwindigkeit 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 Wellengeschwindigkeit einen noch besseren, stabilisierenden Einfluß und eine geringere Ringgeschwindigkeit zur Folge hat.

Die Auswirkung unterschiedlicher Nuttiefen 24 auf die Schmiermittelabgabe bei verschiedenen Wellengeschwindigkeiten 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 Zehnfache 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 Wellendrehzahl 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 ersichtlich, zeigten schwerere Schmiermittel deutliche Zunahmen in der Ölabgabe, was ein wünschenswerter Faktor ist, insbesonder 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 verwendet 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 Zweirichtungslager 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.

Claims (6)

1. Gleitlagerschmiervorrichtung, bei der ein Ölförderring um eine horizontal gelagerte Welle herum zum Umlauf mit der Welle angeordnet ist, wobei der Ölförderring im unteren Bereich in einem Schmiermittelreservoir eintaucht, um bei seiner Drehung Schmiermittel auf die Welle zu leiten, und wobei in der inneren Umfangsfläche des Ölförderrings eine Ringnut vorgesehen ist, und das geförderte Schmiermittel mit Hilfe einer Abstreifvorrichtung abgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstreifvorrichtung ein sich keilförmig zu einem freien Ende verjüngendes innerhalb des Ölförderrings (19) am Gleitlager auslegerartig angebrachtes Abstreifblatt ist, dessen freies Ende sich in die Ringnut erstreckt, daß das Abstreifblatt (42) sich über einen Bogenwinkel von etwa 70° bogenförmig um die Welle (14) herum erstreckt und daß das Abstreifblatt (42) elastisch ist.

2. Gleitlagerschmiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichhnet, daß das Abstreifblatt (42) an der Lagerschale (40) des Gleitlagers befestigt ist.

3. Gleitlagerschmiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölförderring (19) beidseits der Ringnut (24) jeweils eine weitere Ringnut (52, 55) aufweist.

4. Gleitlagerschmiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß auf der dem Befestigungsende des Abstreifblatts (42) gegenüberliegenden Seite des Gleitlagers ein Schmiermittelsammelblatt (60) innerhalb des Ölförderrings (19) angeordnett ist.

5. Gleitlagerschmiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ölförderring Schrägflächen (20, 21) zwischen seiner äußeren Umfangsfläche und seinen radialen Seitenflächen (22, 23) aufweist und daß die Schrägflächen (20, 21) zur äußeren Umfangsfläche unter einem Winkel von etwa 30° verlaufen.

6. Gleitlagerschmiervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstreifblatt (42) über seine Länge die gleiche Dicke von etwa 0,5 mm aufweist und aus Stahlblech besteht.