DE3448200C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Gleitlagerschmiervorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Ölförderringe sind aus DIN 31 690, Teil 3, bekannt. Diese Norm schreibt eine einzige Ringnut vor, deren Breite halb so groß wie die Breite des Ölförderringes ist. Der Winkel der schrägen Seitenfläche zur senkrechten Seiten­ fläche beträgt jeweils 10°.

Aus der US-PS 34 99 503 ist ein Ölförderring mit drei schmalen Ringnuten bekannt, die in gleichen Abständen angeordnet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei unterschied­ lichen Drehzahlen der Welle eine möglichst große Ölmenge auf die Welle zu bringen.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Erfindungsgemäß erfolgt eine optimale Ölförderung in einem sehr großen Drehzahlbereich der Welle. Vorteilhafte Weiter­ bildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekenn­ zeichnet.

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 N₁ bezeichnet wird. Die Beziehung an diesem Punkt ist dUr/dUs=0, beiUr=N₁, wobei N₁ 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 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 Para­ meter, einschließlich der Wellengeschwindigkeit, der Vis­ kosität 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 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 N₂ 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 N₃ bezeichnet wird. Die tertiäre Ringgeschwindigkeit N₃ 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 N₃ 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 50B 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 geringe 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.

Claims (3)

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, wobei die Seitenflanken des Ölförderringes eine sich zur Innen­ fläche des Ringes erstreckende senkrechte und eine schräg sich zur Außenfläche des Ringes erstreckende Seitenfläche aufweisen und der Ölförderring an der Innenfläche mindestens eine Ringnut aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß eine mittlere Nut (24) und beidseitig je eine äußere Nut (52, 54) vorgesehen sind, wobei die Breite der mittleren Nut größer ist als die der äußeren Nuten (52, 54) .

2. Gleitlagerschmiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Nuten (24, 52, 54) etwa 1,52 mm beträgt.

3. Gleitlagerschmiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der schrägen Seiten­ fläche (20, 21) zur senkrechten Seitenfläche (22, 23) etwa 30° beträgt.