DE3722408A1 - Reibungsarmes radialwaelzlager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Radialwälzlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Dabei geht es insbesondere um die Verringerung der Reibung eines solchen Radialwälzlagers, das zwischen zwei koaxialen, gegensinnig zueinander umlaufenden Bauteilen angeordnet ist.

Bei Gasturbinentriebwerken ist es häufig notwendig, ein Lager zwischen zwei oder mehr mit hoher Drehzahl gegen­ sinnig relativ zueinander umlaufenden Wellen anzuordnen. Die sehr hohen Drehzahlen, unter welchen das Lager arbeiten muß, führen dabei zu einem beträchtlichen Maß an Reibung und folglich zu einer erheblichen Wärmeentwicklung, die sowohl im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit als auch im Hinblick auf die Lebensdauer des Lagers ungünstig ist.

Es hat sich nun gezeigt, daß unter gewissen Bedingungen die hohen Drehzahlen von zwischen gegenläufig umlaufenden Bauteilen eingesetzten Wälzlagern dazu ausgenutzt werden können, die Luft im Bereich der Wälzkörper des Lagers so stark zu komprimieren, daß sich ein Luftpolster aufbaut, auf welchem die Wälzkörper abgestützt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Aus­ nutzung der eben erläuterten Erkenntnis ein Radialwälzlager zu schaffen, das mit einer gegenüber herkömmlichen Lagern beträchtlich geringeren Reibung arbeitet.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Radialwälzlager gelöst.

Die Erfindung hat also ein Wälzlager zum Gegenstand, bei welchem die Wälzkörper durch einen Spalt von ihren Stütz­ elementen getrennt sind, in welchem durch den Umlauf der Wälzkörper ein diese schützendes Luftpolster aufgebaut wird.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise mehr im einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1 im Axialhalbschnitt ein Rollenlager nach der Erfindung,

Fig. 2 einen Querschnitt in der Ebene A-A in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt in der Ebene C-C in Fig. 1,

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie D-D in Fig. 4, und

Fig. 6 einen Schnitt in der Ebene E-E in Fig. 2.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Radialwälzlager ist eine Anzahl von Wälzkörpern in Form von Rollen 10 umfangsmäßig zwischen einem inneren Lagerlaufring 12 und einem äußeren Lagerlaufring 14 angeordnet. Der innere Laufring 12 ist fest auf einer inneren Welle 16 mit dem Außendurchmesser do montiert und dort durch einen Haltering 18 gesichert, und der äußere Laufring 14 ist fest in einer äußeren Welle 20 mit dem Innendurchmesser di mittels eines Halterings 22 montiert. Zwei ringförmige Stirnelemente 24 und 26 sind axial beiderseits der Wälzkörper 10 angeordnet, um diese in Axialrichtung festzulegen.

Gemäß Fig. 2 ist jeder Wälzkörper 10 vom nächsten Wälz­ körper durch ein Zwischensegment 28 getrennt. Die Zwischen­ segmente haben jeweils den Wälzkörpern zugewandte Stirn­ flächen, die mit dem jeweils benachbarten Wälzkörper jeweils einen sich in Wälzkörperdrehrichtung verjüngenden Spalt bilden. Bezogen auf den beim Umlauf der Wälzkörper in Wälzkörperdrehrichtung in diesen Spalt hineingezogenen Luft­ strom haben diese Stirnflächen 30 also jeweils eine strom­ aufwärtige Kante 32 und eine stromabwärtige Kante 34. Die Breite δ des Spaltes zwischen einer Stirnfläche 30 und dem benachbarten Wälzkörper 10 hat jeweils an der strom­ aufwärtigen Kante 32 ein Maximum und verringert sich dann zur stromabwärtigen Kante 34 auf ein Minimum.

Nunmehr wird wieder auf Fig. 1 Bezug genommen. Zwei ringförmige Stirnscheiben 36 und 38 sind axial beiderseits des inneren Laufrings 12 und der ringförmigen Stirn­ elemente 24 und 26 angeordnet und dienen der Festlegung der Stirnelemente 24 und 26 in axialer Richtung. Beide Stirnscheiben 36 und 38 sitzen fest am inneren Laufring 12 und werden durch den Haltering 18 in diesem Zustand gesichert. Jedoch könnten die Stirnscheiben natürlich auch alternativ dazu dem äußeren Laufring 14 zugeordnet sein.

Wie anhand der Fig. 2 bereits erwähnt, sind die Zwischen­ segmente 28 mit ihren den Wälzkörpern zugewandten Stirn­ flächen 13 jeweils so gestaltet, daß der Spalt 40 zwischen dem jeweiligen Zwischensegment 18 und dem benachbarten Wälzkörper 10 sich in Wälzkörperdrehrichtung verjüngt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel läuft der äußere Laufring 14 in Richtung des Pfeiles Y und der innere Lauf­ ring 12 dazu gegensinnig in Richtung des Pfeiles Z um, so daß der Wälzkörper sich in Richtung des Pfeiles W dreht. Die durch den Umlauf des Wälzkörpers 10 in den Spalt 40 zwischen einem Zwischensegment 28 und dem Wälzkörper hineingezogene Luft wird, da sich der Spalt von der stromaufwärtigen Stirn­ flächenkante 32 zur stromabwärtigen Kante 34 verjüngt, fort­ schreitend stärker verdichtet. Diese verdichtete Luft bildet im Bereich der stromabwärtigen Kante 34 ein Luftpolster, auf welchem der umlaufende Wälzkörper aufschwimmt bzw. getragen wird. Es leuchtet ein, daß der Druck in diesem Luftpolster mit zunehmender Drehzahl des Wälzkörpers ansteigt und damit seine Stützwirkung zunimmt.

Der Wälzkörper 10 ist an seinen Stirnenden jeweils mit einem Endbereich 42 ausgestattet, der in miteinander ab­ wechselnde rampenartige Flächensegmente 44 und flache Flächensegmente 46 unterteilt ist sowie einen vertieften Mittelbereich 48 aufweist. Dabei weist jedes Flächen­ segment 44, 46, bezogen auf die Drehrichtung des Wälz­ körpers, eine Vorderkante 48 und eine Hinterkante 50 auf. Die rampenartigen Flächensegmente sind jeweils durch Ver­ tiefungen in der Wälzkörperstirnseite mit an der Vorder­ kante 48 größerer Tiefe und dann zur Hinterkante 50 fort­ schreitend abnehmender Tiefe gebildet, wobei die Hinter­ kante 50 flächenbündig mit dem sich anschließenden flachen Flächensegment 46 ist und gleichzeitig dessen Vorderkante 48 bildet. Die Fläche jedes flachen Segments 46 stellt einen Endbereich eines Spalts G dar, der zwischen dem Wälzkörper­ endbereich 42 und der gegenüberliegenden Stirnfläche 54 des betreffenden Stirnelements 24 bzw. 26 gebildet ist.

Im Betrieb bewirkt die Drehung des Wälzkörpers 10 um seine Längsachse T in Richtung des Pfeiles W, daß Luft in den Spalt G hineingezogen und im Bereich der rampenartigen Segmente 44 verdichtet wird, so daß im Bereich der flachen Segmene 46 jeweils ein Luftpolster entsteht, welches den Wälzkörper 10 axial abstützt.

Wie aus den Fig. 1, 4 und 5 hervorgeht, sind die beiden Stirnscheiben 36 und 38 jeweils mit einer einwärts zu den Stirnelementen 24 und 26 hin weisenden Stirnfläche 46 ver­ sehen, die einen Axialabstand von der gegenüberliegenden äußeren Stirnfläche 58 des betreffenden Stirnelements 24 bzw. 26 hat. Die innenseitigen Stirnflächen 56 sind dabei wiederum jeweils in miteinander abwechselnde rampenartige Flächensegmente 60 und flache Flächensegmente 62 unterteilt, so daß die gleiche Wirkung wie bei den Wälzkörperstirn­ flächen eintritt, indem Luft zwischen den Stirnflächen 56 und 58 der Stirnplatten und der Stirnelemente hineingezogen und verdichtet wird und so die Stirnelemente axial abstützt, wenn sie in Richtung des Pfeiles S mit Bezug auf die benach­ barten Stirnplatten 36 und 38 umlaufen.

Fig. 6 zeigt eine Möglichkeit der Befestigung der Stirn­ elemente 24 und 26 an den Zwischensegmenten 28, nämlich mittels Bolzen 64, die durch alle drei Bauteile hindurch­ geführt und mit einer Mutter 66 versehen ist, um die drei Bauteile fest miteinander zu verbinden. Unter der Mutter kann eine Federscheibe 68 oder dgl. Anwendung finden.

Freilich brauchen der innere Laufring 12 und der äußere Laufring 14 nicht beide gleichzeitig und gegensinnig umzu­ laufen, um die Erfindung anwenden zu können. Es ist lediglich erforderlich, zwischen innerem und äußerem Laufring eine ent­ sprechend hohe Relativdrehzahl zu haben.

Das Lager kann auch gekühlt werden, indem kühlere Luft in Richtung der Pfeile P oder Q durch das Lager hindurchgeleitet wird.

Claims (6)

1. Radialwälzlager zwischen zwei koaxialen und relativ zueinander umlaufenden BauteiIen, mit einer Anzahl von Wälzkörpern (10) und mit in Umfangsrichtung zwischen den Wälzkörpern angeordneten Zwischenelementen (28), dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenelemente (28) an ihren in Umfangsrichtung weisenden Enden jeweils mit derart gestalteten, den Wälzkörpern (10) zugewandten Stirn­ flächen (30) ausgebildet sind, daß diese Stirnflächen (30) zusammen mt dem jeweils benachbarten Wälzkörper (10) einen sich in Wälzkörperdrehrichtung verjüngenden Spalt (40) bilden.

2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper (10) durch an den Lagerstirnseiten angeordnete Stirnelemente (24, 26) axial festgelegt sind und zwischen den Wälzkörperstirnflächen und den gegenüberliegenden Stirn­ flächen der Stirnelemente jeweils ein Spalt (G) vorgegebener Größe zum Aufbau eines Luftpolsters gebildet ist.

3. Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Stirnelementen (24, 26) zugewandten Stirnflächen (42) der Wälzkörper (10) in miteinander abwechselnde rampenartige Flächensegmente (44) und zur Wälzkörperachse (T) senkrechte Flächensegmente (46) unterteilt ist, wobei die, bezogen auf die Wälzkörperdrehrichtung, vordere Kante (48) der rampen­ artigen Flächensegmente (44) gegenüber den achssenkrechten Flächensegmenten (46) axial vertieft liegt und die rampen­ artigen Flächensegmente dann in Umfangsrichtung entgegen der Wälzkörperdrehrichtung bis zur Vorderkante der achs­ senkrechten Flächensegmente ansteigen.

4. Lager nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stirnelemente (24, 26) starr an den Zwischenelementen (28) befestigt sind.

5. Lager nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden Stirnenden des Lagers ringförmige Stirnscheiben (36, 38) angeordnet sind, deren innenliegende Stirnflächen (56) mit den außenliegenden Stirnflächen (58) der Stirnelemente (24, 26) einen Spalt zum Aufbau eines Luftpolsters bilden, und daß die innen­ liegenden Stirnflächen der Stirnplatten mit miteinander abwechselnden rampenartigen Flächensegmenten (60) und zur Wälzkörperachse senkrechten Flächensegmenten (62) aus­ gebildet sind, wobei die, bezogen auf die Relativdreh­ richtung der Stirnscheiben zu den Stirnelementen, vordere Kante der rampenartigen Flächensegmente (60) bezüglich der achssenkrechten Flächensegmente axial vertieft liegt und das rampenartige Flächensegment dann in Umfangsrichtung zum anschließenden achssenkrechten Flächensegment ansteigt.

6. Lager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnplatten (36, 38) fest am inneren oder am äußeren der beiden koaxialen Bauteile (16, 20) befestigt sind.