DE3600721A1 - Lageranordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung, insbesondere einer Strömungsmaschine mit vertikal angeordneter Welle, enthaltend wenigstens eine Lagerbuchse aus Hartmetall, Keramik oder einem vergleichbaren Material, welche mittels einer Hülse aus einem elastischen Werkstoff auf der Welle oder auf einem im wesentlichen feststehenden Lagerträger angeordnet ist.

Es ist bekannt, in Lageranordnungen elastisch nachgiebige Hülsen aus einem Elastomer, Gummi oder dergleichen vorzusehen, um für die Lagerbuchse eine hinreichende Nachgiebigkeit zu erhalten. Damit können insbesondere zu hohe Kantenpressungen vermieden oder zumindest reduziert werden. Lageranordnungen der gattungsgemäßen Art enthalten wenigstens eine, in der Regel aber zwei, Lagerbuchsen aus Hartmetall, einem keramischen Werkstoff oder einem vergleichbaren Material, das einerseits gute Gleiteigenschaften und andererseits eine vergleichsweise große Härte aufweist. Die Lagerbuchse samt elastischer Hülse können wahlweise auf der Welle oder dem feststehenden Lagerträger oder jeweils auf beiden angeordnet sein. Derartige Werkstoffe sind relativ spröde und nehmen nur geringe Zugspannungen auf. Überbelastungen durch erhöhte Temperatur derartiger Lagerbuchsen führen in der Regel zunächst zu feinen Haarrissen und im Laufe der Zeit zu einem Ablösen von Teilen der Lagerfläche mit all den nachteiligen Folgen für die Funktionssicherheit und Lebensdauer. Die Hülse ist in der Regel mit der Lagerbuchse insbesondere durch Aufvulkanisieren oder ähnliche Verfahren fest verbunden. Mit der der Lagerbuchse abgewandten Fläche ist die Hülse ihrerseits im feststehenden Lagerträger bzw. falls es die Lagerbuchse der Welle ist, auf dieser fest und weitgehend spielfrei angeordnet. Schwierigkeiten ergeben sich insbesondere bei relativ langen Lagerbuchsen bzw. Hülsen. Der im wesentlichen imkompressible Werkstoff der Hülse kann praktisch nur an den axialen Enden ausweichen, so daß letzendlich trotz der elastischen Materialeigenschaften aufgrund der festen radialen Einspannung die Elastizität der Hülse sehr stark eingeschränkt ist. Weitere Schwierigkeiten sind in der Tatsache begründet, daß der Werkstoff der Hülse bei Einwirkungen eines flüssigen Mediums aufquellen kann. Dies tritt insbesondere bei Pumpen auf, deren Lager von dem Fördermedium, insbesondere Wasser, umströmt werden. Besteht die Lagerbuchse aus einem Hartmetall oder aus Keramik, so ergeben sich Schwierigkeiten, da diese Werkstoffe nur geringe Zugspannungen aufnehmen und spröde sind. Da die Passungen der Lagerfläche in der Regel eng gehalten sind, kann das Aufquellen des Werkstoffes der Hülse zu Überbeanspruchung der Lagerbuchse und folglich zu Zerstörungen führen. Die genannten Schwierigkeiten können insbesondere bei Pumpen mit vertikal angeordneten Wellen auftreten, welche eine Gesamtlänge in der Größenanordnung von 10 m aufweisen. Bei solchen Pumpen können zur radialen Abstützung der Welle insgesamt fünf Lageranordnungen vorgesehen sein, so daß die Wahrscheinlichkeit eventueller Störungen aufgrund der oben dargelegten Zusammenhänge groß werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit geringem konstruktiven Aufwand die Lageranordnung der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß eine verbesserte Elastizität erreicht und die Gefahr von Funktionsstörungen reduziert wird. Bestehende Lagerkonstruktionen sollen bei Bedarf problemlos umgerüstet werden können und der Fertigungsaufwand soll klein bleiben. Es soll eine hohe Funktionssicherheit und lage Lebensdauer gewährleistet werden, wobei im übrigen die Lagerkonstruktion unverändert bleiben soll.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß in der freien Oberfläche der Hülse Rillen angeordnet sind und daß über die zwischen den Rillen vorhandenen Stege die Auflagerung, insbesondere auf der Welle oder dem Lagerträger erfolgt.

Die erfindungsgemäße Lageranordnung zeichnet sich durch eine einfache Konstruktion aus und gewährleistet eine hohe Funktionssicherheit. Es wird in überraschend einfacher Weise ein Ausweichen des grundsätzlich elastisch nachgiebigen Werkstoffes der Hülse bzw. der erfindungsgemäßen Stege in die Rillen möglich. Die elastischen Eigenschaften des Hülsen-Werkstoffes können somit über die gesamte Länge der Hülse ausgenutzt werden. Die Lagerkräfte können somit elastisch aufgefangen werden, wobei im übrigen die gesamte Lageranordnung unverändert bleibt. Es werden lediglich in die Hülse die Rillen eingebracht. Erfindungsgemäß sind die Rillen, ähnlich einem Gewindegang, in die Oberfläche der Hülse eingebracht, so daß grundsätzlich auch von einer einzigen Rille gesprochen werden kann. In einem Längsschnitt durch die Lageranordnung sind in der Schnittebene axial nebeneinander eine Vielzahl von solchen Rillen zu erkennen, die jeweils durch die Stege getrennt sind. Als besonders zweckmäßig hat sich die zweigängige Anordnung der Rillen erwiesen; es sind also zwei spiralförmige Rillen versetzt gegeneinander in die Oberfläche eingebracht. Das Fördermedium kann erfindungsgemäß den Gewindegang bzw. die Rillen durchströmen, wodurch einerseits eine verbesserte Wärmeabfuhr aus dem Lagerbereich und andererseits aber auch das Zusetzen der Rillen durch Verschmutzungen vom Fördermedium zuverlässig vermieden werden kann. Dies ist im Hinblick auf die Lebensdauer sehr wichtig, da die notwendige radiale Elastizität nicht durch Ablagerungen in den Rillen im Laufe der Zeit reduziert werden darf. Auch ein Quellen des Werkstoffes der Hülse aufgrund des einwirkenden Fördermediums kann problemlos aufgefangen werden, da der aufquellende Werkstoff in die Rillen ausweichen kann bzw. dadurch die Rillen etwas verengt werden. Probleme bei der Inbetriebnahme oder beim Anlaufen einer Pumpe nach einer gewissen Stillstandszeit werden überraschend einfach vermieden. Auch bei engen Passungen der Lagerbuchsen, die aus relativ sprödem Hartmetall oder aus Keramik oder einem vergleichbaren Werkstoff bestehen, sind Beschädigungen nicht zu befürchten. Die Herstellung der erfindungsgemäßen Lageranordnung bzw. Lagerbuchsen samt Hülse kann mit einem vergleichsweise geringen Aufwand erfolgen. Die Hülse wird auf der Oberfläche der Lagerbuchse angeordnet und mit dieser fest verbunden, und zwar vor allem durch Aufvulkanisieren. Erfindungsgemäß werden in die auf das exakte Maß bearbeitete freie Oberfläche der Hülse die Rillen nunmehr nachträglich eingebracht. Dies erfolgt im Rahmen dieser Erfindung durch Einschneiden, zweckmäßigerweise nach Art eines Gewindeganges, und insbesondere mit zwei Gewindegängen durch Einschneiden in den elastischen Werkstoff der Hülse. Wesentlich ist hierbei, daß die Hülse vor dem Einbringen der Rillen bzw. des oder der Gewindegänge auf das erforderliche Maß angebracht wird. Obgleich grundsätzlich es ausreicht, ggfs. nur eine einzige Lagerbuchse eine Hülse mit den erfindungsgemäßen Rillen zuzuordnen, werden im Rahmen dieser Erfindung beide Lagerbuchsen, also sowohl der Welle als auch des Lagerträgers, in der oben erläuterten Weise ausgebildet.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch eine Lageranordnung,

Fig. 2 ein Diagramm eines Belastungsversuches,

Fig. 3 vergrößert einen axialen Längsschnitt durch die Lagerbuchse samt Hülse einer Welle.

In Fig. 1 sind von einer Pumpenwelle zwei Teile 2, 4 zu erkennen, welche mittels einer Kupplungshülse 6 in hier nicht weiter zu erläuternden Weise miteinander verbunden sind. Die Pumpenwelle bzw. deren Teile 2, 4 sind von einer Verstellwelle 8 umgeben, die nachfolgend der Einfachheit halber nur noch als Welle bezeichnet wird. Mittels der Verstellwelle kann der Anstellwinkel der Schaufeln des Pumpenrades eingestellt werden. Eine Relativbewegung zwischen Verstellwelle und Pumpenwelle bzw. Kupplungshülse 6 erfolgt nur beim Verstellen der Schaufeln. Die Kupplungshülse 6, welche Bestandteil der Pumpenwelle ist, ist mittels der Lagerbuchse 10 in der Verstellwelle 8 abgestützt.

Die Welle 8 mitsamt den Teilen 2, 4 der Pumpenwelle sind um die Längsachse 12 in einem Lagerträger 14 drehbar, der mittels mehreren sternförmig angeordneten Armen 16 in einem hier nicht dargestellten Lagergehäuse oder dergleichen befestigt ist. Der Welle 8 bzw. dem Lagerträger 14 ist jeweils eine Lagerbuchse 18, 20 zugeordnet, wobei die Lagerbuchse samtt Welle 8 bezüglich der Lagerbuchse 20 bzw. des Lagerträgers 14 auf den Lagerflächen drehbar sind. An der Innenfläche der Lagerbuchse 18 ist eine Hülse 22 aus einem elastisch nachgiebigen Werkstoff, insbesondere durch Aufvulkanisieren, befestigt. An der Außenfläche der feststehenden Lagerbuchse 20 ist ebenfalls entsprechend eine Hülse 24 aus elastischem Werkstoff angeordnet. Beide Hülsen 22, 24 weisen auf ihren den Lagerflächen abgewandten Oberflächen 26, 28 Rillen 30, 32 auf. Bei einwirkenden Kräften ermöglichen diese Rillen 30, 32 ein Ausweichen des elastischen Werkstoffes der Hülsen 22, 24 in den Bereich dieser Rillen 30, 32. Die elastischen Werkstoffeigenschaften der Hülsen 22, 24 können somit über die gesamte axiale Länge genutzt werden, was ohne diese Rillen praktisch nur in den Endbereichen der erfindungsgemäß in axialer Richtung relativ langen Hülsen 22, 24 möglich wäre. Insgesamt wird damit die Elastizität der Lageranordnung wesentlich verbessert, so daß Lagerbelastungen erheblich besser aufgenommen werden, ohne daß Beschädigungen, Haarrisse oder ähnliches in den Lagerbuchsen zu befürchten sind. Die radiale Bewegbarkeit der Lagerbuchsen aber auch die Kippbeweglichkeit der Lagerbuchsen 18, 20 wird aufgrund der erfindungsgemäßen Rillen wesentlich verbessert.

Fig. 2 zeigt beispielshaft die überraschenden Ergebnisse bei einer Lagerbuchse deren innere Lagerfläche einen Durchmesser von 200 mm und deren äußere Fläche einen Durchmesser von 225 mm aufweist. Auf diese Lagerbuchse war außen eine Hülse aus einem elastischen Werkstoff, wie Gummi bzw. einem Elastomer, mit einem Außendurchmesser von 235 mm angeordnet, wobei die axiale Länge 100 mm betrug. Die Kurve A ergab sich bei vollständig zylindrischer Außenfläche der Hülse, also ohne irgendwelche Rillen. Die Kurve B wurde gemessen, nachdem in die Hülse, deren Wandstärke 5 mm eine Rille in die äußere Oberfläche, mit 3 mm Tiefe und 4 mm Breite eingebracht wurde, wobei die Stegbreite zwischen zwei axial nebeneinanderliegenden Rillen 11 mm betrug. Die Kurve C ergab sich für eine Hülse mit einer Nutbreite von 6 mm und einer Stegbreite von 9 mm, wobei die Nuttiefe 4 mm betrug. Die Hülsen, entsprechend den beiden Kurven B und C, waren jeweils zweigängig ausgebildet; es waren also zwei spiralförmige Gänge nach Art von Gewindegängen nebeneinander in die äußere Oberfläche der Hülse eingebracht. Der Vergleich der Kurven B und C mit der Kurve A zeigt unmißverständlich die wesentlich besser Elastizität der ansonsten aus dem gleichen Werkstoff und die gleichen Abmessungen aufweisenden Hülse. Vorhandene Lageranordnungen können somit in überaus einfacher Weise mit einer wesentlich verbesserten Elastizität ausgestaltet werden, wobei lediglich in die Hülse, welche mit der Lagerbuchse zuvor fest verbunden wurde, die erforderlichen Rillen einzubringen sind. Vergleichbare Ergebnisse ergeben sich auch bei Belastung der Hülse mit einem Kippmoment um eine zur Längsachse senkrechte Drehachse. Für gleichgroße Kräfte ergaben sich auch hier wesentlich größere Auslenkungen der Lagerbuchse bei einer Hülse mit Rillen als bei einer Hülse ohne Rillen.

Fig. 3 zeigt vergrößert einen axialen Längsschnitt durch die Lagerbuchse 18 und die Hülse 22 gemäß Fig. 2. Zur Veranschaulichung, daß es sich hier um zweigängige Rillen handelt, sind hier die Rillen mit den Bezugsziffern 30 bzw. 31 versehen. Erfindungsgemäß befindet sich an den beiden axialen Enden der Hülse noch ein Ringnut 34. In dieser Ringnut können sich vom Fördermedium mitgenommene Fremdkörper und Verschmutzungen ggfs. absetzen, wodurch die Gefahr des Zusetzens der Rillen 30, 31 nicht unwesentlich verringert wird. Die Rillentiefe 40 ist mindestens halb so groß wie die Materialdicke 42 der Hülse 22. Ferner ist die Stegbreite 44 höchstens viermal, zweckmäßigerweise etwa zweimal so groß wie die Nutbreite 46. Hierdurch wird einerseits eine zuverlässige Auflagerung und radiale Abstützung der Hülse und somit der Lagerbuchse 22 erreicht und andererseits wird das Ausweichen des Materials der Hülse bzw. der vorhandenen Stege in den Bereich der Rillen ermöglicht. Die Rillen 30, 31 sind im Hinblick einerseits auf eine einfache Fertigung und andererseits zur Vermeidung von Kerbwirkungen, die zu Zerstörungen führen könnten, abgerundet ausgebildet. Die Rillentiefe 40 ist bei dieser erfindungswesentlichen Ausführung halb so groß wie die Nutbreite 46. Die axiale Länge der Hülse 22 in Richtung der Längsachse 12 ist im Rahmen dieser Erfindung wesentlich größer als die Materialdicke 42. Bei der hier gezeigten Hülse 22 ist das Verhältnis von axialen Länge zur Materialdicke 42 etwa 45. Erfindungsgemäß ist dieses Verhältnis wenigstens 10 und zweckmäßig größer als 20.

• Bezugszeichenliste  2, 4 Teil der Pumpenwelle
   6 Kupplungshülse
   8 Verstellwelle
  10 Lagerbuchse
  12 Längsachse
  14 Lagerträger
  16 Arm
  18, 20 Lagerbuchse
  22, 24@gHülse
  26, 28 Oberfläche
  30 bis 32 Rille
  34 Ringnut
  36, 38 Steg
  40 Rillentiefe
  42 Materialdicke
  44 Stegbreite
  46 Nutbreite

Claims (7)

1. Lageranordnung, insbesondere einer Strömungsmaschine mit vertikal angeordneter Welle, enthaltend wenigstens eine Lagerbuchse aus Hartmetall, Keramik oder einem vergleichbaren Material, welche mittels einer Hülse aus einem elastisch nachgiebigen Werkstoff auf der Welle oder auf einem feststehenden Lagerträger angeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, daß in der freien Oberfläche (26, 28) der Hülse (22, 24) Rillen (30, 32) angeordnet sind und daß über die zwischen den Rillen (30, 32) vorhandenen Stege (36, 38) die Auflagerung, insbesondere auf der Welle (8) oder dem Lagerträger (14) erfolgt.

2. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (30 bis 32) spiralförmig nach Art wenigstens eines Gewindeganges in die Oberfläche (26, 28) eingebracht sind.

3. Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillentiefe (40) wenigstens halb so groß ist wie die Materialdicke (42) der Hülse (22).

4. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (30, 31) zweigängig ausgebildet sind.

5. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Stegbreite (44) zu Rillenbreite (46) kleiner als 4, bevorzugt kleiner als 3 und zweckmäßig kleiner als 2 ist.

6. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (30, 32) nach dem Verbinden der Hülse (22, 24) mit der Lagerbuchse (18, 20) in die freie Oberfläche (26, 28) eingebracht worden ist.

7. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge der Hülse (22, 24) wesentlich größer als die Materialdicke (42) ist, und zwar wenigstens um den Faktor 10 und bevorzugt um den Faktor 20 größer ist.