DE3490178T1 - Lagerungssystem - Google Patents

Description

P 19 161-25/SÜ

Beschreibung

Die Erfindung betrifft Lagerungssysteme für schnellaufende Wellen und insbesondere Lagersysteme, die in Maschinen mit schnellaufenderi und an einem Ende hohen Temperaturen ausgesetzten Wellen anwendbar sind, z.B. in Turbolader^ für Verbrennungskraftmotoren. '

Im Schnellauf-Maschinenbau ist es wünschenswert, reibungsarme Wälzlager, wie Kugellager oder Rollenlager einzusetzen, um die Reibung zu reduzieren und hohe Dreh-, geschwindigkeiten mit geringem Energieverlust zu erreichen. Jedoch haben diese Lager in Maschinen mit Wellendrehzahlen im Bereich von 60 000 bis 80 000 s~ eine begrenzte Lebensdauer im Bereich von 500 Stunden. Eine derart begrenzte Lebensdauer ist jedoch in vielen kommerziellen Anwendungsfällen nicht akzeptabel, insbesondere bei Turboladern für Verbrennungskraftmotoren.

Turbolader für.Verbrennungskraftmotoren werden inzwischen, in großem Umfang in konventionellen Automobilen benutzt, so daß auf die Turbolader ausgerichtete Lagerungssysteme für Großserien-Herstellungsverfahren geeignet und ökonomisch herzustellen und zu warten sein müssen. Zusätzlich müssen diese Lagerungssysteme eine länge Lebensdauer erbringen und dürfen nicht nach relativ kurzen Zeitintervallen wie 500 Betriebsstunden ausfallen. Da reibungsarme Lager wie Rollenlager und Kugellager teuer sind und für die kommerzielle Verwendung in Automobil-Turboladern eine zu kurze Betriebs- und Lebensdauer haben,

ist es üblich geworden, für diese Anwendungsfälle Buchsenlager (Gleitlager) einzusetzen.

Konventionelle Buchsenlager haben sich für solche Anwendungsfälle jedoch als nachteilig erwiesen, da sie einen in der Praxis unvermeidbaren Ungleichförmigkeitsgrad.der ' von ihnen gelagerten, drehbaren Teile (Fertigungstoleranzen) nicht tolerieren und weil sie nicht in der Lage sind, aus solchen Ungleichförmiglceitsgraden resultierende Resonanzvibrationen der rotierenden Teile zu dämpfen. Anstatt um ein stationäres Zentrum zu rotieren, haben mit hoher Geschwindigkeit rotierende, unausgewuchtete oder unausba-, lancierte Wellen die Tendenz,um das Zentrum derart zu taumeln, daß ihr Zentrum in einer kreisförmigen oder modifizierten kreisförmigen Bahn wandert. Übliche Lagerspiele begrenzen diese taumelnde Bewegung;: jedoch bei Drehzahlen von 80 000 oder mehr 3 tritt ein Metall-zu-Metall-Kontakt mit einem rapiden Lagerverschleiß ein, und zwar als Resultat eines Zusammenbruches des ölfilmes aufgrund der dynamischen Belastungen und der Lagerbelastungen für den Schmierölfilm.

_oc Aus diesen Problemen resultierten eine Vielzahl.bekann-

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ter Lagerungen. Zu solchen aufgrund der erwähnten Probleme entwickelte Lagerungen betreffenden Patenten gehören die US-PS en 305 66 3¹*; 309 61 26; 339 09 26 und 399 33 70. Diese Patente sind auf Lagerungen gerichtet, die auch bei _n hohen Drehzahlen stabil und in der Lage sind, Vibrationen und stoßartige und bei Lagerungssystemeri üblicherweise auftretenden Belastungen zu absorbieren, beispielsweise in Turboladern, und die mit geringen Kosten herstellbar sind. Die in diesen Patenten beschriebenen Lagerungen lösten das Stabilitätsproblem durch die Verwendung einer freischwimmenden Buchse zwischen der rotierenden Welle und deren stationärem Stützglied, wobei die Buchse so: ausgelegt war, daß

ein Schmierfilm zwischen ihrer inneren Oberfläche und der rotierenden Welle und zwischen ihrer äußeren Oberem fläche und dem stationären Stützglied erzeugt wird. In diesen Systemen konnte die Lagerbuchse frei rotieren, jedoch mit Drehzahlen, die erheblich geringer waren als die Drehzahlen der rotierenden Welle. Die Lagerbuchse konnte sich ferner radial in Abhängigkeit von durch die

,Q rotierende Welle hervorgerufenen Unwuchten bewegen. Der Freiheitsgrad der radialen Bewegung gestattete es der rotierenden Welle um ihr Massenzenter zu rotieren, wobei der innere und der äußere Ölfilm für die Schmierung sorgten und als Kissen bei Vibrationen und Schocklasten wirkten. Damit wurde auch das Problem der "ölwirbel" gelöst,. bei denen die Drücke im Schmierfilm gegen Null gehen und, die Welle die Lagerungsfläche berührt (Oil-whirl).

Die aus diesen Patenten bekannten Lager waren auch mit Schublagerflächen ausgestattet, z.B. US-PS 339 09 26, und verwendeten den ansteigenden Reibungswiderstand an der äußeren Lagerbuchsenoberfläche, um die Drehzahl der Lagerbuchse auf einen Bruchteil der Drehzahl der Welle zu reduzieren. Ferner waren bei diesen Lagern Strömungswege vorgesehen, die das Schmieröl von der äußeren Oberfläche zu der inneren Oberfläche der Lagerbuchse und zu den Schublagerflächen leiteten. ■

In der US-PS 437 01 06 wird ein Lagerungssystem für ei-„Q nen Turbolader-Rotor vorgeschlagen, das ein reibungsarmes Kugellager an seinem kompressorseitigen Ende und ein . Gleitlager oder eine Lagerbuchse am turbinenseitigen Ende besitzt. Dieses Lagerungssystem enthält jedoch eine nicht-drehbare Lagerbuchse, die am turbinenseitigen Ende des Rotors ein nicht-drehbares Buchsenlager sowie eine darin baulich, integrierte, nicht-drehbare Abstützung für den äußeren Laufring des reibungsarmen Kugellagers am kompressorseitigen Ende des Rotors bildet. Die Lager-

buchse und das Lagersystem werden gegen eine Drehung durch einen Vierkant oder einen unrunden Abschnitt im kompressorseitigen Ende gehindert, der mechanisch in das Turboladergehäuse eingreift. Schmiermittel ist zwischen der stationären Lagerbuchse und dem Stützgehäuse vorgesehen, um die Elastizität und die Dämpfung für eine exzentrische Bewegung des Beters infolge seiner Unwucht

,Q zu gewährleisten. Jedoch ist in diesem Lagerungssystem die Differenzgeschwindigkeit zwischen dem Buchsenlager und dem Rotor die volle Brehgeschwindigkeit des Rotors. Da die Lagerverluste proportional zum Quadrat der Drehgeschwindigkeit sind, hatte dieses bekannte System einen hohen Lagerverlust verglichen mit dem eines schwimmenden Lagersystems. Zusätzlich muAte die nicht-rotierende Lagerbuchse gegen das stationäre Gehäuse mit der vollen Schubbelastung des Rotors abgestützt werden. Die Unwucht des Rotors zwang die nicht-rotierende Lagerbuchse in ei-' ' ne Orbitalbewegung, bei der die in Kontakt stehenden Oberflächen zum Fressen neigten. Um dem Fressen vorzubeugen mußte ein stationärer und solider Schmierfilm vorgesehen werden. Dieses Problem ist jedoch dem System der nicht-drehbaren Lagerbuchse inhärent und führt zu einer verringerten Betriebs-Lebensdauer.

Andere und auf Lösungen des Stabilitätsproblems gerichtete US-Patente sind 3OM 36 36 und 381 17 Ui; jedoch haben die Lager dieser Sytteme durch die Lagerungen bedingte erhebliche hydrodynamische Verluste, die die LeioU

stung des Turboladers verringern. ^;

Das Lagerungssystem ge*ÄÄ der Erfindung ist zuverlässig, stabil, Schock- und vibrationsresistent, hochleistungs_o_ fähig, einfach und ökonomisch, kostengünstig herzusteilen, zu warten und leicKt. in dei Maschine einzusetzen, auch bei deren Reparatur.

Das Lagerungssystem benutzt zuverlässige, reibungsarme Wälzlager für diese Anwendungszwecke und enthält grundg stäzlich einen langgestreckten äußeren Laufring, der zu einer Drehbewegung in seinem Stützglied ausgelegt ist und Teil der reibungsarmen Wälzlagerung ist und mit einer vollschwimmenden Lagerbuchse zusammenarbeitet, die die drehende Welle trägt. Das von dem Lagerungssystem

,Q getragene Buchsenlager kann in der Maschine, z.B. dem Turbolader, an dem Ende der Maschine angeordnet sein, das hohen Temperaturen ausgesetzt ist, z.B. dort wo das heiße Gas durch die Turbine strömt; hingegen kann das Wälzlager durch das System am kühleren Ende.der Maschine gehalten sein, beispielsweise benachbart zum Turbolader-Kompressor. Das Lagerungssystem kann so ausgebildet sein, daß es in ein stationäres Maschinenelement einsetzbar ist und die Welle an zwei beabstandeten Stellen drehbar abstützt. Der äußere Laufring des Systems hat zweckmäßigerweise eine langgestreckte, zylindrische äußere Lagerflache, die so ausgelegt ist, daß sie in ihrem Kontaktbereich mit dem stationären Maschinenelement drehbar auf einem Schmierfilm getragen wird. Dieser äußere Laufring und die schwimmende Lagerbuchse können Strömungsdurchgänge aufweisen, mit denen eine Schmiermittelströmung zum Berührungsbereich zwischen der Lagerbuchse und der rotierenden Welle stattfindet. Das eine Stirnende des äußeren Laufringes kann einen vergrößerten Durchmesser besitzen, um einen Schmiermittelstrom von der Lagerbüchse zu den Elementen des Wälzlagers zu erzeugen.

Am Ende des Lagersystems benachbart zum Wälzlager können nach außen weisende , allgemein senkrecht zur Drehachse verlaufende Flächen vorgesehen sein, die Schublagerflächen formen, die dem kühleren Ende einer Maschine benachbart sind. In einer zweckmäßigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lagerungssystems schmiert das Schmiermittel das zur Beaufschlagung der äußeren Lageroberfläche des

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äußeren Laufringes bestimmt ist ,auch eine der sich nach außen und quer erstreckenden Schublagerflächen. Das Schmiermittel, das für die innere Lagerfläche des Buchsenlagers bestimmt, ist , schmiert gleichzeitig die Wälzelemente des reibungsarmen Wälzlagers und kann nach dem Verlassen des reibungsarmen Lagers weitere außerhalb und \ quer verlaufende Schublagerflachen schmieren.

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Das Lagerungssystem ist im Hinblick auf das stationäre Maschinenelement dimensioniert, in.welches es paßt, so daß es leicht über die zu lagernde Welle geschoben und in das stationäre Maschinenleient eingesetzt werden kann, und in Abhängigkeit von Unwuehten der von der rotieren-...-den Welle getragenen Massen auf Schmierfilmen radial beweglich ist _■·■■■■

In den Zeichnungen ist

Fig. 1 ein Längsschnitt in der Drehachse

eines erfindungsgemäßen Lagerungs-■'■'■;. systems,

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„c Fijg. 2 ein Ljängssehnitt in der Drehachse

einer anderen Ausführungsform eines erf inidungsgemäßen Lagerungssystems ;

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_ Fig. 3 ein teilweiser Längsschnitt durch oU

«in erfindungsgemäßes Lagerungs-. system, das auf die Verwendung kon

ventioneller Wälzlager ausgelegt

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Gemäß Fig. T ist ein LägerürigSsystem TO zum Abstützen einer schnellaufenden Welle 20 innerhalb stationärer Ele mente einer Maschine BÖ^©^*sehen. Das Lagersystem be-

steht aus einem äußeren Laufring 12, der ineinem ihn tragenden stationären Maschinenelement 32 drehbar ist und an einem Ende mit einem schwimmenden Buchsenlager 14 und am anderen Ende mit einem Wälzlager 16 zusammenarbeitet. Die Maschine 30 ist beispielsweise ein Turbolader für eine Verbrennungskraftmaschine und enthält eine Turbine 3^ am einen Ende sowie einen Kompressor 36 am anderen Ende. Das ,Q Lagersystem positioniert das Buchsenlager 14 benachbart zum "heißen" Ende der Maschine, d.h. benachbart zur Turbine 34, und positioniert das Wälzlager 16 benachbart zum "kühleren" Ende der Maschine, d.h. benachbart zum Kompressor 36.

Wie aus Fig. 1 weiter hervorgeht, ist das schwimmende Buch-r senlager 14 von einer bei Turboladern üblichen Bauart. Das Wälzlager 16 besitzt einen inneren Laufring i6a und eine Vielzahl von Wälzelementen 16b, die zwischen der WeI-Ie 20 und dem äußeren Laufring 12 angeordnet sind.

Der äußere Laufring 12 kann an seiner inneren Fläche bearbeitet sein,um mit dem inneren Laufring I6a und der Vielzahl der Wälzelemente 16b zusammenzuarbeiten und am dem Buchsenlager 14 abgewandten Ende ein reibungsarmes Lager zu bilden. Der äußere Laufring 12 kann ein beispielsweise in Fig. 3 gezeigtes konventionelles Wälzlager tragen. Der äußere Laufring besitzt eine äußere Lagerfläche 12a, die in einer inneren Lagerfläche 32a des stationären

_on Maschinenelementes 32 drehbar gehalten ist. Eine innere Fläche 12b des äußeren Laufringes 12 erstreckt sich von dem dem Buchsenlager 14 benachbarten Ende bis zu dem das Wälzlager 14 bildenden Ende,um eine Strömungsführung für einen Schmiermittelstrom zu den Wälzelementen 16b des

_ot- Wälzlagers 16 zu schaffen. Die äußere Fläche des äußeren ob

Laufringes 12 kann ferner ein Schublager bilden. Ein derartiges Schublager kann durch ein Paar nach außen vorspringender Flächen 12c und 12d gebildet werden, die sich senk-

recht zur Drehachse und von der äußeren Fläche des äußeren Laufringes 12 wegerstrecken. Zweckmäßigerweise sind § die Flächen 12c und 12d zueinander parallel und beabstandet und liegen senkrecht zur Drehachse der drehbaren Teile. Jedoch ist es nicht erforderlich, daß die Schublagerflächen senkrecht zur Drehachse liegen oder zueinander parallel sind.Gegebenenfalls kann die Fläche 12d nur durch den Abschnitt des a'uÄeren Laufringes 12 gebildet

werden, der unmittelbar benachbart zu den Wälzelementen I

1.6b liegt. j

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Das gesamte Lagersystem 10 kann in dem stationären Ma- . j

.ε schinenelement 32 frei rotieren. Wie in Fig. 1 angedeutet '

ist, wird ein Schmierfluid (z.B. Öl) in Strömungsdurch- I

gänge 38 und 40 des stationären Maschinenelementes 32 ein-

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gefüllt. Das Schmierfluid strömt durch die Schmiermittel- j

durchgänge 38 und 40 zu der Berührungsfläche zwischen dem j _on stationären Maschinenelement 32 und dem äußeren Laufring 12 des Lagerungssystems. Das Lägerspiel für einen Schmierfilm beträgt zwischen dem äußeren Laufring 12 und dem stationären Maschinenelemeni 32 annähernd 0,0051 em bis 0,0102 cm. Wie ferner aus Fig. 1 hervorgeht enthält das „ε Buchsenlager 14 einen Strörtungsdurchgang I4b, der mit dem Strömungsdurchgang 38 verbunden ist, um auch eine SchmiermittelströmunE zur inneren Lagerfläche des Buchsenlagers 14 zu gestatten. Der Lagerspalt für den Ölfilm beträgt zwischen der Bueh»e 14 und der rotierenden Welle _₀ zwischen annähernd 0,002$ cim und annähernd 0,0051 cm.

' Gemäß Fig. 1 ist das Lagerungssystem 10 in die Maschine 30 bei abgenommenem Kompressor 36 eingesetzt, d.h. nach vorheriger Abnahme eines tndgeha'uses 42 und eines Kom_oc pressorrades 44. Das Einsetzen des Lagerungssystems in die Maschine 30 wird einfach durch Aufschieben des Buchsenlagers 14 und des reibungaarmen Wälzlagers auf das kompressorseitige Ende til* Welle 20 vorgenommen, wobei

das Buchsenlager 14 vor dem Wälzlager 16 aufgeschoben wird.Mit den vorerwähnten Lagerspalten läßt sich das Lagerungssystem mit verhältnismäßig wenig Aufwand zwischen der Welle 20 und dem stationären Maschinenelement 32 der Maschine 30 positionieren. Der innere Laufring I6a des Wälzlagers 16 wird nach dem Einbau durch ein Abstandselement 46 festgeklemmt, sobald das Kompressorrad 44 auf der ^q Welle 20 befestigt ist, so daß der innere Laufring T6a mit der Welle 20 umläuft. Es ist jedoch auch möglich, den inneren Laufring 16a verlängert auszubilden und damit das : Abstandselement 46 bei bestimmten Voraussetzungen wegzulassen . . .

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Wenn die Maschine 30 ein Turbolader ist, der an seinem einen Ende hohen Temperaturen ausgesetzt ist, denen die Gasturbine durch die heißen Auspuffgase ausgesetzt ist, wird die Welle 20 erhitzt und dehnt sich axial in Abhängigkeit von der Temperaturdehnung des Materials aus, aus dem sie besteht · Beim Lagerungssystem gemäß der Erfindung sind Schublagerflächen benachbart zum Wälzlager am kühleren Ende der Maschine vorgesehen. Das Buchsenlager 14 ist am heißeren Ende der Maschine angeordnet- Die Welle 20 kann

_2C- sich deshalb durch das Buchsenlager in Abhängigkeit von der Temperatur ausdehnen, der sie ausgesetzt ist.

Das Lagerungssystem enthält ferner Schublagerflächen, die durch die Flächen 12c und 12d gebildet werden. Wie aus _n Fig. 1 erkennbar ist, ist das stationäre Maschinenelement 32 mit einer Endfläche 32c ausgestattet, die mit der nach außen vorstehenden Schublagerfläche 12c an der äußeren Fläche des äußeren Lauf ringes 12 des Lagerungssystems zu*· sammenwirkt. Zusätzlich kann das Maschinenendgehäuse 42 mit einer Lagerfläche 42d ausgestattet sein, die mit der nach außen vorstehenden Schublagerfläche 12d des äußeren Laufringes 12 des Lagerungssystems zusammenwirkt. Nach dem Einsetzen des Lagerungssystems 10 in die Maschine 30

und nach dem Befestigen des Endgehäuses 42 an der Maschine, z.B. durch ein Umfangs-Befestigungselement 48, wird

g ein Schublager zwischen den Flächen 12c und 12d des äußeren Laufringes 12 und den damit korrespondierenden stationären Flächen 32c und 42d der Maschine gebildet. Die Abmessungen des Lagerungssystems sind so, daß ein axiales Spiel oder ein axialer 5palt zwischen den Flächen 12c und 12d des äußeren Laufringes 12 und den Flächen 32c und 42d der Maschine vorliegt, das in einem Bereich von ca. 0,0102 cm bis ca. 0,0204 cm liegt. Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird Schmierfluid, das in der Berührungszone zwischen der äußeren Lagerfläche 12e des äußeren Laufringes 12 und der

inneren Lagerfläche 32a des stationären Maschinenelemente) .

tes durch Strömungsdurchgänge 38 und 40.strömt, auch zwischen die Schublagerfläche 12c und die damit korrespondierende Fläche 32c der stationären Maschine strömen und in diesem Bereich schmieren.

In dem Lagerungssystem schmiert das Schmierfluid das Buchsenlager 14, das Wälzlager und die andere Schublagerflache. Schmiermittel,das in i'den Strömungdurchgang 38 gelangt ist, wird zusätzlich iur Schmierung des Berührungs-

__ bereiches zwischen der äußeren Fläche 12a des äußeren Laufringes und der inneren iagerflache 32a des stationären Elementes auch in den Strömungsdurchgang 14b des Buchsenlagers 14 gelangen. Dort wird das Schmierfluid einen Schmierfilm zwischen der rotierenden Welle 20 und der

„Buchse 14a bilden. Ein Teil des Schmiermittels für das Buchsenlager I¹I wird von dem Buchsenlager in Richtung .zum Wälzlager 16 strömen. Dieses Schmierfluid wird abgeschleudert und über die innere Fläche 12b des äußeren Laufringes 12 strömen und dort einen Schmierfluß zu den _ Wälzelementen 16b des Wälzlagers 16 erzeugen. Nachdem das Schmiermittel aus dem Wälzlager 16 ausgetreten ist, wird es in die Berührungszone zwischen den Schubflächen 12d und· 42d eintreten und auch das andere Schublager schmie-

ren. Wenn der Schmierfluß vom Buchsenlager 14 zum Schublager nicht ausreichend ist, kann ein axialer Strömungsc durchgang vom Strömungsdurchgang 40 des stationären Elementes abgezweigt und durch diesen Abschnitt des äusseren Laufringes geführt werden, der zwischen den Flächen 12c und 12d liegt.

Nachdem das Schmieröl das Lagerungssystem verlassen hat_f wird es nach außen aus der Maschine strömen, z.B. durch Ölablauföffnungen der Maschine, was bekannt ist.

Das Lagerungssystem kann auch in Maschinen eingesetzt sein,

. ' in denen die rotierende Welle keiner wesentlichen thermi-

sehen Ausdehnung unterworfen wird. Dann können reibungsarme Lagerungen an beiden Enden des Lagerungssystems vorgesehen sein, wie dies in Fig. 2 angedeutet ist. In diesem System ist, da keine wesentliche Ausdehnung einer rotierenden Welle 200 auftritt, ein Lagerungssystem 100 mit reibungsarmen Lagern 110 und 120 an jedem Ende ausgestattet. Unterschiedlich ist zwischen den Lagerungssystemen der Fig. 1 und. 2 folgendes:

a) anstelle des Buchsenlagers 14 ist ein Wälzlager 110 „ρ- mit einem inneren Laufring 112 und einem Abstandselement 114 vorgesehen,

b) ein Schmiermittel-Strömungsdurchgang 132 ist in einem stationären Maschinenelement 130 ausgebildet, und

c) in einem äußeren Laufring 118 ist ein weiterer Strö_n mungsdurchgang 116 für das Schmiermittel ausgebildet.

Wenn es wünschenswert ist, für die Wälzlager 16, 110 und 120 bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 1 und 2 konventionelle Kugellager (z.B. 140) einzusetzen, so können diese in den äußeren und in den inneren Laufring des Lagerungssystems von Fig. 3 eingepreßt sein, oder auch nur in den äußeren Laufring, so daß ihr innerer Laufring den inneren Laufring 16a des Lagerungssystems bildet.

Bei allen Ausführungsformen des Lagerungssystems ist das Lagerungssystem radial in Abhängigkeit von Unwuchtskondic tionen beweglich, die durch die Masse begründet werden, die die drehende Welle trägt. Eine zufriedenstellende Stabilität wird dann erreicht, wenn der äußere Laufring des Lagerungssystems mit einer Drehzahl umläuft, die annähernd der Hälfte der Drehzahl der Welle beträgt. Es ist

..Q jedoch zweckmäßiger, wenn der äußere Laufring noch lansamer umläuft, da die Stabilität des Lagerungssystems verbessert wird, wenn-die Drehzahl des äußeren Laufringes nur einen Bruchteil der Drehzahl der drehenden. Welle beträgt. Bei der erfindungsgemäßen Ausbildungist es mög-

-,K ■'■' lieh, die Drehgeschwindigkeit des äußeren Laufringes auf einen Bereich von ungefähr 1/3 bis ungefähr 1/10 der Drehgeschwindigkeit der Welle zu begrenzen, und zwar infolge des Reibungswiderstandes, der sich durch die langgestreckten zylindrischen I^agerfläche (z.B. 12a) und die

_ Schubiagerflachen 12c und 12d ergibt. Diese Drehgeschwindigkeit des äußeren Laufringes vermindert auch die relative Geschwindigkeit zwischen den Wälzelementen des Wälzlagers und dem äußeren Laufring, wodurch die !Lebensdauer des Wälzlagers wesentlich drhöht und die Reibungsverluste

„_ bei dem Wälzlager vermindert werderji. Es wird angenommen, daß das optimale Verhältnis zwischen der Drehzahl des äußeren Laufringes und dei* Drehzahl der Welle etwas weniger als 0,1 ist. Das schwinimende Buchsenlager gemäß Fig. 1 ■■■.-■ . -'¹^. ■ j ■ ■ '

hat das Bestreben, mit einer Drehzahl umzulaufen, die un-

_Q_ abhängig von der Drehzahl des äußeren Laufringes 12 ist, und zwar resultierend aus der thermischen Expansion der Welle 20 und der axialen Kraft, die auf das Buchsenlager 14 einwirkt. Bei dem geziigten Ausführungsbeispiel wird das Buchsenlager 14 mit einer Drehzahl umlaufen, die dem

_o_ 0,4-bis 0,5-fachen der Drehzahl der Welle 20 entspricht, do

wodurch ebenfalls die Lagerverluste erheblich reduziert und die Lebensdauer des Lagerungssystems erheblich gesteigert wird.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die äußere Oberfläche 12a des äußeren Laufringes 12 zweckmäßigerer weise eine langgestreckte zylindrische Lagerfläche. Eine solche Fläche schafft einen nennenswerten Reibungswiderstand in Bezug auf das stationäre Maschinenelement 32, wodurch die relativen Drehgeschwindigkeiten zwischen dem äußeren Laufring 12 und den Wälzelementen 16b und zwisehen den Wälzelementen 16b und.deren innerem. Laufring

16a erheblich reduziert werden. Zusätzlich wird ein nennenswerter Abstand zwischen dem Buchsenlager 14 und den Wälzlagern 16 und ein einfach einsetzbares Lagerungssy-* stern für die Welle.20 geschaffen. , .

Das Lagerungssystem gemäß der Erfindung ist ein stabiles Lagerungssystem. Das Lagerungssystem kann radial in Abhängigkeit von Unwuchten der rotierenden Massen nachge-r ben. Zusätzlich reduziert das Lagerungssystem die rela-

_on tiven Drehgeschwindigkeiten zwischen der Welle und dem Lagerungssystem und zwischen dem Lagerungssystem und dem stationären Maschinenelement, wodurch die Probleme der Öl-Verwirbelung eliminiert und die Lebensdauer des Lagerungssystems erhöht werden. Schubbelastungen werden am kühle-

„p. ren Ende der Maschine aufgenommen, während die Welle unter der auf sie einwirkenden Hitze durch das Buchsenlager am heißen Ende der Maschine ungehindert expandieren kann. In dem Lagerungssystem polstern die Ölfilme die rotierende Welle gegen Schockbelastungen und Vibrationen

und gewährleisten eine angemessene Schmierung, sie fühoU

ren ferner Reibungshitze von den Lageroberflächen ab und haben die Tendenz, auch von der Welle vom heißen Ende der Maschnine übertragene Wärme abzuführen. Das Lagerungssystem ist leicht und preiswert herstellbar und ist ein komplettes Lagerungssystem, das einfach in eine Maschine eingesetzt werden kann, was eine kostengünstige Herstellung, Reparatur und Wartung der Maschine ermöglicht. Der äußere Laufring des Lagerungssystems kann aus

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Stahl hergestellt und so ausgelegt werden, daß er in stationären Maschinenelementen entweder aus Aluminiumguß oder Gußeisen rotiert.

Obwohl nur eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt und beschrieben worden ist, lassen sich daraus weitere Ausführungsformen ableiten, ohne den Rahmen der nachfolgenden Patentansprüche zu verlassen.

Claims (17)

1. Patentansprüche

   25 1. Lagerungssystem für eine drehbare Welle, gekennzeichnet durch,

   ein freischwimmendes Buchsenlager (14) mit einer Lagerfläche, die die rotierende Welle (20) an einem Ende des

   Lagerungssystems drehbar trägt, 30

   einen am anderen Ende des Lagerungssystems an der rotierenden Welle anbringbaren inneren Laufring (I6a), und

   einen sich in axialer Richtung der rotierenden Welle erstreckenden äußeren Laufring (12), der an einem Ende mit 35 dem inneren Laufring und einer Vielzahl dazwischen gesetzter Wälzelemente (16b) zusammenarbeitet und ein reibungsarmes Lager bildet, wobei die innere Fläche (12b)

   des äußeren Laufringes (12) sich von dem einen Ende zu dem anderen Ende des Lagerungssystems erstreckt, und wobei die äußere Fläche (12a) des äußeren Laufringes (12) eine langgestreckte zylindrische Lagerfläche bildet,

   und wobei das Buchsenlager (14) einen Strömungsdurchgang (14b) aufweist, der die Zufuhr von Schmierfluid in das Lagerungssystem und zu den Lagerflächen des Buchsenlagers gestattet, wobei das Schmierfluid in das Buchsenlager eingeführt und daraus durch die Drehung des äußeren Laufringes heraus zwingbar ist, um die Wälzelemehte des reibungsarmen Wälzlagers zu schmieren.
2. 2. Lagerungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der äußere Laufring (12) ein Paar beabstandeter Flächen (12c, 12d) aufweist, die sich von seiner zylindrischen Lagerfläche nach außen erstrecken.. '

   ,
3. 3- Lagerungssystem zum Tragen einer in einem stationären Maschinensupport Schnellaufenden Welle, gekennzeichnet durch,

   ein eine innere Lagerflache zum Tragen der Welle auf einem Schmierfilm formende lüehsenlager (14),

   einen zur Zusammenarbeit mit einer menten(i6b) ausgebildeten und an der

   Mehrzahl von Wälzelerotierenden Welle (20)

   befestigbaren inneren Laufring (I6a), eine Vielzahl von Wälzelementen (16b), und

   einen äußeren Laufring (12), der an einem Ende mit den Wälzelementen und dem inneren Laufring und am anderen Ende mit dem Buchsenlager zusammenarbeitet und eine Wälzlagerabstützung für die W#lle bildet, wobei der äußere Laufring eine äußere Lagerfläche (12a) aufweist, die drehbar auf einem Schmierfilm durch das stationäre Maschinenelement abgestützt ist, " .

   und wobei das Lagerungssystem im Maschinenelement in radialer Richtung und in Abhängigkeit von Unwuchten freibe-P-wegbar und im Maschinenelement mit einem Bruchteil der Wellendrehzahl drehbar ist.
4. 4. Lagerungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Lagerungssystem die rotierende Welle an zwei in Längsrichtung beabstan-

   . deten Stellen abstützt, daß die äußere Lagerfläche (12a) des äußeren Laufringes (12) ein langgestreckter Zylinder ist, und daß die innere Fläche (12b) des äußeren Laufringes (.12) sich vom einen dem Buchsenlager benachbarten Ende bis zum anderen den Wälzelementen benachbarten Ende er-15

   streckt.
5. 5. Lagerungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß der innere Laufring (i6a) und die Vielzahl der Wälzelemente (16b) einem konventionellen Kugellager angehören, das in den äußeren Laufring (12) eingepreßt ist.
6. 6. Lagerungssystem nach Anspruch 4, dadurch

   __ gekennzeichnet, daß das Maschinenelement 25

   (32) einen Schmierfluß zur äußeren Lagerfläche (12a) des äußeren Laufringes (12) herstellt, und daß das Buchsenlager (14) einen Strömungsdurchgang (14b) besitzt, mit dem ein Schmierfluß zur inneren Oberfläche des Buchsenlagers bewirkbar ist, und daß die innere Fläche des äusseren Laufringes (12) einen Schmierfluß zu den Wälzlagern (16,140) herstellt.
7. 7- Lagerungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet , daß die äußere Lagerober- ;

   fläche (12a) des äußeren Laufringes (12) zwei querverlaufende, beabstandete Flächen (12c und 12d) am dem inneren Laufring (16a) und den Wälzelementen (16b) benachbarten

   A.

   Ende aufweist, mit denen ein Paar Schublagerflächen für das Lagerungssystem bildbar ist, daß mit dem Maschinenelement (32) ein Schmierfluß zu der äußeren Lagerfläche (12a) des äußeren Laufringes (12) erzeugbar ist, mit dem auch eine durch eine sich quer erstreckende Fläche gebildete Schublagerflache (12a) .schmierbar ist, und daß das Lagerungssystem einen Strömungsdurchgang (14b) ent-, ~ hält, mit dem ein Schmierfluß zunächst zur inneren Fläche des Buchsenlagers (14), danach zu den Wälzelementen (16b) und schließlich zu der anderen, sich quer erstreckenden Schublagerfläche (12d) führbar ist.

   ρ-
8. 8. Ein einsetzbares Lägersupportsysterii für eine Schnellaufende Welle, gekennzeichnet durch,

   einen langgestreckten äußeren Laufring (12), der eine äußere Lagerfläche (12a) bildet, innerhalb derer sich vom einen Ende aus ein langgestreckter, zylindrischer Lagerabschnitt sowie ein Paar sich!quer erstreckender Schublagerflächen (12c und 12d) am!anderen Ende erstrekken. .■;·'.'. .

   ein benachbart zu besagtem einen E:ide des äußeren Laufringes (12) angeordnetes Buchsenla₍5er (14) zum drehboren

   Abstützen der Welle (20) benachbart zu besagtem einen Ende des äußeren Laufringes (12), und J

   einen inneren Laufring (i6a) sowie eine Vielzahl von:

   j ■ ■ ■■■■■.'

   Wälzelemdnten (16b) am anderen Ende, die mit dem äußeren du

   Laufring zum drehbaren Abstützen der rotierenden Welle am anderen Ende zusammenarbeiten,

   wobei das Lagerungssystem auf ein Ende der rotierenden Welle aufgesetzt ist und eine Lagerabstützung an axial beabstandeten Stellen der rotierenden Welle sowie eine Schublagerung bildet.
9. 9- Einsetzbare Lagerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bücher senlager (14) einen Strömungsdurchgang (14b) zur Schmierversorgung der inneren Fläche des Buchsenlagers aufweist, und daß die innere Fläche (12b) des äußeren Laufringes zur Schmierflußausbildung vom Buchsenlager zu den Wälzelementen geformt ist.
10. 10. Lagerungssystem für eine drehbare Welle, dadurch gekennzeichnet, daß ein äussere Laufring (12) in seiner Halterung (32) drehbar ist und ein Wälzlager oder Kugellager (16,140) an. einem Ende

    .,_ trägt, und daß ein schwimmendes Buchsenlager benachbart

    zum anderen Ende des äußeren Laufringes vorgesehen ist, das mit dem Wälzlager zusammenarbeitet.
11. 11. Lagerungssystem nach Anspruch 10, dadurch

    _ gekennzeichnet, daß es in ein stationä-

    res Maschinenelement (32).einsetzbar ist und die Welle darin drehbar lagert, daß der äußere Laufring (12) eine langgestreckte, zylindrische äußere Lagerfläche (12ä) aufweist, die auf einem Schmierfilm drehbar im stationä-,... ren Maschinenelement gehalten ist, und daß das Buchsenlager und das Wälzlager in axialer Richtung voneinander getrennt sind, um beabstandete Abstützstellen für die Welle zu bilden, und daß das Buchsenlager einen Strömungsdurchgang (14b) aufweist, mit dem ein Schmierfluß

    zum Buchsenlager erzeugbar ist, und daß die innere Flä-30

    chen (12b) des äußeren Laufringes einen Schmierfluß vom Buchsenlager zu dem Wälzlager herstellt.
12. 12. Lagerungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagerungssystem

    zum Abstützen einer drehenden Welle ausgelegt iist, die sich innerhalb einer Maschine von einem heißen Gasen ausgesetzten Ende zu einem kühleren Ende erstreckt, und daß

    das Buchsenlager (14) im Lagerungssystem benachbart zu dem den heißen Gasen ausgesetzten Ende der Maschine angeordnet und frei mit Drehzahlen drehbar ist, die das 0,4- bis 0,5-fache der Drehzahl der Welle betragen, und daß das Wälzlager (16,140) im Lagerungssystem benachbart zum kühleren Ende der Maschine angeordnet ist.

    ,Q
13. 13. Lagerungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß der äußere Laufring (12) nach außen vorstehende Flächen (12c,12d) aufweist und an einem dem kühleren Ende der Maschine benachbarten Ende ein Schublager bildet.
14. 14. Lagerungssystem naeh Anspruch 12, dadurch

    gekennzeichnet , daß der äußere Laufring (12) mit seinem ihn tragenden Maschinenelement radial bewegbar zusammenarbeitet, in Abhängigkeit von Unwuchten _on des von ihm getragenen Systems und um axiale Expansionen der Welle'in dem Buchsenlager zuzulassen und um eine axia-Ie Lagerabstützung zu schaffen.
15. 15. Lagerungssystem nach Anspruch 10, dadurch

    gekennzeichnet, daß das Wälzlager ein vom äußeren Laufring getragenes konventionelles Kugellager (140) ist.
16. 16. Lagerungssystem nach Anspruch 10, dadurch _ gekennzeichnet, daß der äußere Laufring

    (12) mit dem ihn tragenden Maschinenelement derart zusammenarbeitet, daß er mit einer Drehzahl rotieren kann, die weniger als 1/3 der Drehzahl der Welle beträgt, und daß das schwimmende Buchsenlager mit einer Drehzahl frei dreh-

    _o_ bar ist, die dem 0,4- bis 0,5-fachen der Drehzahl der WeI-do

    Ie entspricht.
17. 17. Lagerungssystem nach Anspruch 16, dadurch

    gekennzeichnet, daß der äußere Laufring (12) eine langgestreckte zylindrische äußere Lagerfläche (12a) und ein Paar Schublagerflächen (12c,12d) aufweist, und daß zwischen der langgestreckten zylindrischen ausseren Lagerfläche und dem Maschinensupport ein Schmier-■ film mit einer durchschnittlichen Dicke von annähernd 0,0051 cm bis annähernd 0,0102 cm vorgesehen ist, und daß

    _n der äußere Laufring mit einer Drehzahl rotiert, die annähernd 1/3 der"Drehzahl der Welle entspricht.

    1,8:.;,, Lagerungssystem zum Tragen einer Schnellauf enden Welle in einem stationären Maschinenelement, d a -

    , _ durch gekennzeichnet, daß ein lang-Ib ■

    gestreckter äußerer Laufring (1i8)an jedem Ende ein Wälzlager (110 , 120 ) trägt und in dem stationären Maschinenelement auf einem Ölfilm mit einer Dicke von annähernd 0,0051 cm bis annähernd 0,0102 cm mit Drehzahlen drehbar ist,die weniger als 1/3 der Drehzahl der rotierenden Welle betra-

    gen.

    19- Lagerungssystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet , daß der äußere Laufring

    _o_ (118) ein Paar beabstandeter Flächen aufweist, die sich 25

    senkrecht zur Drehachse und in zu einander parallelen Ebenen erstrecken, daß die Wälzlager konventionelle Kugellager sind, und daß der äußere Laufring mit dem stationären Maschinenelement derart zusammenwirkt, daß die Dreh-

    zähl des äußeren Laufringes annähernd 1/10 der Drehzahl 30

    der rotierenden Welle beträgt.