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Mehrgleitflächenlager
Die Erfindung betrifft ein Mehrgleitflächenlager
mit Schmierspalten zwischen den Gleitbahnen zur Bildung von die Gesamtiast aufnehmendenSchmierkeilen.
Die im Gleitlagerban für normale und höhere Lasten überwiegend benutzten zylindrischen
Gleitlager erfüllen nur theoretisch, nicht aber in der Praxis die Forderungen, die
zur Bildung und zur ständigen Erhaltung eines hydrodynamischen Schmierfilms, d.
h. einer stetig verlaufenden keilförmigen Schmierspaltgestaltung im tragenden Schmierspaltgebiet,
mit einer den An£orderungen der Praxis entsprechenden Druckentwicklung erforderlich
sind.
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Man hat deshalb versucht, die Verwirklichung der hydrodynamischen
Schmierung beispielsweise durch das Michel lager, durch das Querlager von Mackensen
und schließlich durch sogenannte Mehrgleitflächenlager zu erreichen.
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Der Nachteil der Michellager liegt vorwiegend in den vielen beweglichen
Gleitschuhen mit ihren Führungs- und Halteorganen, die eine außerordentlich hohe
Fertigungsgenauigkeit und zugleich hohe Fertigungskosten verlangen. Ferner darf
die Traglast infolge der geringen, der Abnutzung stark ausgesetzten Auflageflächen
nur verhältn,ismäßig niedrig sein, so daß die Anwendung für mittel-, hoch- und stoßbelastete
Lager vollk'ommen ausfällt.
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Das Querlager von Mackensen besteht aus einem dünnwandigen, elastisch
verformbaren Außen- oder
Innenring, der mit Hilfe einer mechanischen
Verformungsvorrichtung an drei, auf den Umfang der Lauffläche verteilten Stellen
eingedrückt wird, so daß eine unrunde Lauffläche erzeugt wird und damit zwischen
Welle und Lagerschale drei Schmierkeile entstehen. Diese Lager haben insbesondere
den Nachteil, daß der Verlauf des durch die elastische Verformung entstandenen Schmierspaltkeiles
infolge der angebrachten und für die Kraftübertragung auch notwenidigen Längsrippen
zusammen mit der Ringwandstärke völlig unbekannt ist, so daß jede Vorausberechnung
der Reibung und der Tragkraft unmöglich wird, d. h. daß beide der reinen Zufälligkeit
ausgesetzt sind. Außerdem ist es nachteilig, daß sich die für die unrunde Verformung
des dünnwandigen Lagerringes unbedingt notwendige Nachgiebigkeit im Betrieb ungünstig
auswirkt, weil unter den auftretenden hydrodynamischen Drücken eine weitere, ebenfalls
unbekannte, jedoch von der Belastung abhängige Verformung, bzw. Änderung des Spaltkeiles
stattfindet, die die Tragkraft im Sinne einer Verminderung beeinflußt. Ferner ist
es ungünstig, daß zur Herstellung dieser Lager besondere Verformungsvorrichtungen
mit hohen Fertigungskosten notwendig sind, die die Anwendulng in der Praxis stark
beschränken und unwirtschaftlich machen.
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Darüber hinaus sind nur ungeteilte Lager ausfiihrbar. Schließlich
können bei derartigen Lagern wegen der zwangsläufig gering zu haltenden Wandstärke
des Lagerringes nicht genügend große 01-zufuhrnuten zur ausreichenden und gleichmäßigen
Verteilung des Schmieröls über die Lagerbreite angebracht werden.
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Aus diesen Gründen eignet sich das Querlager nach Mackensen höchstens
für leicht belastete Maschinen, wie Schleifmaschinen od. dgl.
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Die ebenfalls bekanntgewordenen Mehrgleitflächenlager haben mehrere
voneinander getrennte, -in einem Gehäuse starr angeordnete Lagerschalen, deren Laufflächen
keine Unterbrechungen aufweisen und an beiden Seiten Einlaufkeile besitzen.
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Im Bereich ihrer Mitte haben sie den geringsten Abstand von der Achse,
wobei die Anordnung aber so getroffen worden ist, daß sich bei den einzelnen aufeinanderfolgenden
Lagerschalen der Achsabstand vergrößert, und zwar jeweils um den Betrag der Stärke
des angeschichteten Schmiermittels, wobei man glaubte, daß in den einzelnen Lagerschalen
eine Anschichtung des Schmiermittels erfolgte.
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Ebenso kanne man Mehrgleitflächenlager mit mehreren verstellbaren
Lagerschalen, wobei jeweils die Radien der Lagerschalengleitfläche etwas größer
gehalten waren als der Halbmesser einer zylindrischen Lagerschalenbohrung. Alle
solche bisher bekanntgewordenen Mehrgleitflächenlager haben gezeigt, daß mit ihnen
nicht ausreichende Tragkräfte erzeugt werden können. Dies bedeutete, daß die bekannten
Mehrgleitfläc'henlager für die meisten Anwendungsgebiete unbrauchbar waren.
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Je größer die Differenz der Halbmesser von Gleitfläche und Welle
ist, desto steiler wird der Schmierkeil und desto kleiner auch das Druckgebiet im
Schmierfilm. Ferner nimmt auch die Höhe des im Schmiermittel erzeugten Druckberges
mit der Verkürzung des Druckgebietes im gleichen Maße ab, so daß der Druckberg in
allen drei Dimensionen vermindert wird.
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Die Nachrechnung zeigt weiter, daß die Halbmesserdifferenz auch nicht
zu klein gewählt werden darf, da sonst der Schmierkeil zu schlank und das Schmiermittel
nicht genügend zusammengedrängt wird, um den Druckberg zu erzeugen. In einem parallelen
Spalt kann überhaupt kein Druck im Schmierfilm entstehen, da das Schmiermittel durch
den eben begrenzten Spaltquerschnitt ungehindert hindurchfließen kann.
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Demgegenüber zeigt die Erfindung ein Mehrgleitflächenlager mit Schmierspalten
zwischen den Gleitbahnen zur Bildung von die Gesamtlast aufnehmenden Schmierkeilen,
wobei erfindungsgemäß zwecks Erzielung einer hydrodynamischen Schmierung in den
Spaltkeilen der belasteten Gleitflächen bei einer Spaltbreite von etwa 0,002 mm
an der, engsten Stelle das Verhältnis dieser Spaltweite zu derjenigen 30:01 davor
oder 300 dahinter etwa T :25 beträgt, wobei die wirksamste Halbmesserdifferenz etwa
das 5- bis Iofache des im Gleitlagerbau üblichen Lagerspieles (I bis 2 °/no des
Wellendurchmessers) beträgt.
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Dieser grundsätzliche Erfindungsgedanke läßt sich insbesondere auf
ein Querlager anwenden, bei dem entweder die durch die Lagerschale oder jene durch
die Welle gebildete Gleitbahn in mehrere konkave bzw. konvexe Gleitflächen unterteilt
ist. Im ersten Fall müssen dabei die Krümmungshalbmesser der Gleitflächen größer
sein, sie dürfen aber höchstens das I,osfache des Bohrungshalbmessers betragen.
Im zweiten Fall müssen dagegen die Krümmungshalbmesser kleiner als der Wellenhalbmesser
sein, sie müssen aber mindestens das o,gsfache von diesem betragen.
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Außerdem ist die Erfindung auf Mehrgleitflächenlager anwendbar, deren
eine Gleitbahn in der Bewegungsrichtung einen unendlich großen Krümmungshalbmesser
aufweist, während der Krümmungshalbmesser jeder gewölbten Gleitfläche kleiner ist,
aber, den Wert von 3. L2 nicht unterschreitet, wobei L die halbe Gleitflächenlänge
in Millimetern darstellt.
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Solche Verhältnisse lassen sich beispielsweise in einem Axiallager
verwirklichen, dessen eine Gleitbahn mindestens in drei gleichmäßig oder ungleichmäßig
verteilte, quer zu ihrer Bewegungsrichtung konvexe Gleitflächen unterteilt ist.
Ebenso treffen sie auf einen Führungsschlitten bzw. auf einen Führungskolben od.
dgl. zu, dessen eine Gleitbahn als mindestens eine quer zur Bewegungsrichtung konvexe
Gleitfläche ausgebildet ist.
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Unter diesen Bedingungen ist ein Mehrgleitflächenlager tatsächlich
in der Lage, alle Gleitlagerforderungen, sei es in der Belastung, der Reibung oder
der Drehzahl, hydrodynamisch zu befriedigen.
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Das stark angenähert exponentielle Anwachsen der Tragkraft mit der
Wellenverlagerung bei Laständerung gibt dem Mehrgleitfiächenlager hohe stabili-
sierende
und zugleich dampfende Lauf- bzw. Führungseigenschaften, die wiederum die Anwendung
geringster Lagerspiele bei betriebssicherer Trennung der übereinander gleitenden
Flächen gestatten.
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Die erfindungsgemäße Lagerausbildung erlaubt bei hoher Belastung einerseits
die Verwendung einfachster und billigster Materialien, wie Stahl, Gußeisen und Sintereisen,
andererseits aber auch für besondere, z. B. chemische Zwecke ausgesuchte Materialien,
wie Glas, Porzellan usw. Außerdem ist es nunmehr auch möglich, neben den üblichen
Schmierölen andere benetzende Flüssigkeiten, wie Säuren, Laugen od. dgl., als Schmiermittel
für hohe Lastübertragungen zu benutzen.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen in einigen Ausführungsbeispielen
wiedergegeben, und zwar zeigt Fig. I ein als Mehrgleitflächenlager ausgebildetes
Querlager im Schnitt, Fig. 2 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform des
Querlagers, Fig. 3 einen Schnitt durch ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Axiallager,
Fig. 4 eine Draufsicht auf die in einzelne Gleitflächen unterteilte Lauffläche des
auf der Welle sitzenden Laufringes bei dem Lager gemäß Fig. 3, Fig. 5 einen Schnitt
nach den LinienIV-IV durch einen Teil des Laufringes gemäß Fig. 4, Fig. 6 einen
Querschnitt durch eine gemäß der Erfindung ausgebildete Schlittenführung Fig. 7
einen Schnitt nach den LinienVI-VI gemäß Fig. 6, Fig. 8 einen Querschnitt durch
eine weitere Schlittenführung und Fig. 9 einen Schnitt nach den Linien VIll-VIll
gemäß Fig. 8.
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Bei dem Querlager gemäß Fig. I ist ein Lagerring a vorgesehen, der
geschlossen oder geteilt sein kann. In seinem Bohrungsumfang sind vier konkave Gleitflächen
b durch bekannte Bearbeitungsmethoden, wie Schleifen, Räumen, Ziehen, Pressen Kalibrieren
od. dgl., eingearbeitet, welche je eine Lagerschale bilden. Die einzelnen Lagerschalen
b sind durch Olzuführungsnuten g voneinander getrennt. In dem Lagerring läuft eine
glatte zylindrische Welle c, die den Halbmesser r hat. Der Lagerspalt zwischen Welle
und Lagerschale beträgt an der engsten Stelle das Maß h, wobei angenommen ist, daß
die Welle zum Lagerring a genau zentrisch liegt. Der Krümmungsradius der Gleitflächen
b ist mit R bezeichnet und ist erfindungsgemäß größer als r, aber beträgt höchstens
das I,o5fache des Bohrungshalbmessers r zusätzlich der Spalthöhe h, alo R ist gleich
I,05 (r+h).
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In Fig. 2 sind die Verhältnisse umgekehrt geu-ählt. Es gelangt ein
Lagerringd mit glatter Innenbohrung e zur Anwendung. Der Halbmesser der Innenbohrung
ist e. Die Wellenoberfläche ist dagegen in mehrere konvexe Gleitflächenf unterteilt.
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Der Krümmungshalbmesser R der Gleitflächen f ist kleiner als der Wellenhalbmesser,
der in diesem Fall dem Maß #-h entspricht, er beträgt aber mindestens das o,gsfache
dieses Maßes. Die einzelnen Gleitflächenf sind durch die Olzuführungsnuteng' voneinander
getrennt.
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Der Krümmungsmittelpunkt der Gleitflächen liegt jeweils um das Maß
x bzw. x' außerhalb der Lager bzw. Wellenmitte. Vorzugsweise sind die einzelnen
Gleitflächen, wie es in Fig. I und 2 eingezeichnet ist, parabolisch begrenzt. Das
Maß h, die Spalthöhe beträgt bei normalen Lagerverbältnissen etwa 0,002 mm.
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Infolge der Differenz des Krümmungshalbmessers der Gleitfläche und
des Wellenhalbmessers bzw. des Bohrungshalbmessers bei dem Lager gemäß Fig. I und
2 bilden sich im Bereich je einer Lagergleitfläche von der engsten Spaltstelle ausgehend
nach beiden Seiten keilförmig sich erweiternde Spalte.
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Dabei ist die genannte Radiendifferenz so gewählt, daß bei der belasteten
Gleitfläche b bzw. J die Spaltweiten' etwa 300 vor oder 300 hinter der engsten Spaltstelleh
etwa das 25fache beträgt, d.h. ll: il 1 : 25.
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Dieses Verhältnis liegt insbesondere dann vor, wenn die Radiendifferenz
etwa das 5- bis Iofache des im Gleitlagerbau üblichen Lagerspieles (I bis 2# des
Wellendurchmessers) beträgt.
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Bei dem Axiallager nach den Fig.3 bis 5 Sitzt auf der Welle ein Laufring,
der mit einem festen Lagerring m zusammenarbeitet und auf seiner Arbeitsfläche mit
einzelnen gewölbten Gleitflächen i, die durch radial verlaufende Olzuf«hrungsnuten
k voneinander getrennt sind, versehen ist. Diese konvexen Gleitflächen i bilden
mit dem ebenen Gegenring m Schmierspalten, die die hydrodynamischen Lagerkräfte
erzeugen. Der Krümmungsradius der konvexen Gleitflächen ist mit r' bezeichnet. Da
die Gegenfläche eben ist, d. h. einen unendlich großen Krümmungsradius hat, ist
bei der Lagerberechnung eine Bezugnahme auf diesen unendlich großen Krümmungsradius
nicht möglich, da man ja mit endlichen Werten rechnen muß. Man verwendet daher als
Berecbnungsgrundlage das in Fig. 5 eingetragene Maß L, welches die Entfernung zwischen
Nnfangsspalt und engster Spaltstelle, in Millimetern gemessen, bezeichnet. In diesem
Fall sind dann die Krümmungsradien r' der einzelnen Gleitflächen kleiner als unendlich,
doch sollen sie den Wert 3 L2 nicht unterschreiten, wobei L das obenerwähnte Maß,
d. h. die halbe Gleitflächenlänge ist. Die ähnlichen Verhältnisse ergeben sich bei
axial beweglichen Schiebern und Schlittenführungen, wie sie in den Fig. 6 bis 9
dargestellt sind. In Fig. 6 ist eine im Querschnitt quadratische Führungn und in
Fig.8 eine Führungen' von rundem Querschnitt wiedergegeben. Mit diesen Führungen
arbeitet der quadratische Schieber o bzw. der im Querschnitt kreisförmige Schieber
o' zusammen.
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Im ersteren Fall sitzen die erfindungsgemäßen Gleitflächen p in der
Führung n, während im zweiten Fall die Gleitfläche p' auf der Oberseite des Schiebers
o' eingearbeitet sind. Die einzelnen Gleitflächen sind dabei jeweils durch die Olnuten
t bzw. t' voneinander getrennt. Für die Berechnung der Lagerabmessungen, des Krümmungsradius
r' und der
Spaltweiten gilt genau dasselbe wie bei einem Axiallager.