EP2147222A2 - Coussinet hydrodynamique a lobes asymetriques - Google Patents

Coussinet hydrodynamique a lobes asymetriques

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EP2147222A2
EP2147222A2 EP08805841A EP08805841A EP2147222A2 EP 2147222 A2 EP2147222 A2 EP 2147222A2 EP 08805841 A EP08805841 A EP 08805841A EP 08805841 A EP08805841 A EP 08805841A EP 2147222 A2 EP2147222 A2 EP 2147222A2
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EP
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lobes
pad
geometric center
hydrodynamic
lobe
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Withdrawn
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EP08805841A
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German (de)
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Michel Wendling
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Flender Graffenstaden SAS
Original Assignee
Flender Graffenstaden SAS
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    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
    • F16C33/02—Parts of sliding-contact bearings
    • F16C33/04—Brasses; Bushes; Linings
    • F16C33/06—Sliding surface mainly made of metal
    • F16C33/10—Construction relative to lubrication
    • F16C33/1025—Construction relative to lubrication with liquid, e.g. oil, as lubricant
    • F16C33/106—Details of distribution or circulation inside the bearings, e.g. details of the bearing surfaces to affect flow or pressure of the liquid
    • F16C33/1075—Wedges, e.g. ramps or lobes, for generating pressure
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
    • F16C17/00—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement
    • F16C17/02—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for radial load only
    • F16C17/028—Sliding-contact bearings for exclusively rotary movement for radial load only with fixed wedges to generate hydrodynamic pressure, e.g. multi-lobe bearings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16C32/00—Bearings not otherwise provided for
    • F16C32/06—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings
    • F16C32/0629—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings supported by a liquid cushion, e.g. oil cushion
    • F16C32/064—Bearings not otherwise provided for with moving member supported by a fluid cushion formed, at least to a large extent, otherwise than by movement of the shaft, e.g. hydrostatic air-cushion bearings supported by a liquid cushion, e.g. oil cushion the liquid being supplied under pressure
    • F16C32/0651—Details of the bearing area per se
    • F16C32/0659—Details of the bearing area per se of pockets or grooves

Definitions

  • Hydrodynamic pad with asymmetrical lobes Hydrodynamic pad with asymmetrical lobes.
  • the present invention relates to a four-lobe hydrodynamic bearing intended to operate at high loads and at high speeds while having a stable operation when empty. Its specific capabilities are particularly sought after in the case of gear shafts of gearboxes or gear multipliers with high power gears.
  • the angular apertures of the lobes are identical, and four oil feed grooves are machined between the lobes.
  • Such a configuration, in which the centers of the lobe bores are eccentric with respect to the geometric center of the pad, makes it possible to obtain four precharge effects on the shaft. These effects are particularly advantageous for improving the hydrodynamic stability of the shaft-carrying film in the case of low radial load and high speed operation, or in the case of operation of rapid tree lines with critical dynamic behaviors.
  • the symmetrical arrangement of the lobes further allows the shaft to rotate in both directions of rotation with identical lift. Assuming the choice of important values of lobe eccentricity to produce high precharges, it is also possible to guarantee that, whatever the angular direction of the load, the shaft will never come into position on a groove. oil distribution, which would have the effect of causing a fall in lift of the shaft or hydrodynamic vibration instabilities.
  • the use of a symmetrical lobe pad is therefore particularly well suited to high speed operation cases. sliding and for variable radial loads of low or moderate level, angular orientation also variable.
  • the angular aperture of each of the feed grooves is of the order of 20 °, which limits the angular aperture of each of the bearing surfaces at about 70 °.
  • This value explains the low load capacity of a standard four-lobed pad in comparison with, for example, that of a pad with two fixed lobes whose active openings are greater than 150 °.
  • the object of the present invention is, by modifying the angular apertures of each of the four lobes, to allow high load capacities to be obtained, while maintaining the aforementioned advantages of the symmetrical four-lobed pad.
  • the hydrodynamic pad of the invention also provided with four lobes with centers of curvature eccentric with respect to its geometric center, said lobes being conventionally separated by oil supply grooves, is mainly characterized in that that the lobes are asymmetrical and present:
  • the four lobes do not perform the same functions, hence their different geometry. It is thus possible to assign to one of the lobes a much larger angular aperture than that of the others, so as to obtain a maximum lift surface.
  • this lobe is the charge lobe.
  • the high value of its angular aperture makes it possible, with the same applied force, to obtain lower pressure point values in the oil wedge and higher oil film thicknesses.
  • This improved bearing performance results in an improvement in endurance resistance of the anti-corrosion metal. friction of the sliding surface and a reduction of the temperature where the thickness of the film is minimal.
  • the eccentricity, relative to the geometric center of the bearing, the center of the maximum angular aperture lobe and the value of the load angle are chosen so as to have the optimum conditions of lift of the oil film.
  • the other three lobes, of smaller angular aperture, are lobes of maintenance and stabilization. For this reason, the offsets of their center have values much higher than the eccentricity of the center of the load lobe.
  • the choice of offsets and angular apertures of the active surfaces of the four lobes ensures continuity of guiding of the shaft. As in the case of a symmetrical four-lobe bushing, the shaft can not come into contact with the lubricating and cooling devices arranged between the end of the active sliding surface of a lobe and the beginning of the active zone. of the next lobe.
  • the lobes may also have at least two different axial widths.
  • the minimum clearance points of two opposing lobes are aligned with the geometric center of the bearing.
  • these points are located on a circle whose diameter corresponds to the assembly diameter of the pad.
  • each of these half-shells may comprise two lobes and two grooves.
  • the joint plane of the bushing is angularly oriented so that the nominal load is directed on the load lobe.
  • FIG. 1 is a sectional view of a bearing with symmetrical four lobes constituting the prior art
  • FIG. 2 represents a pad with four asymmetrical lobes, which is the subject of the present invention.
  • the four lobes (1, 2, 3, 4) are symmetrical, that is to say that they have the same angular aperture and the same radius of curvature.
  • the four centers (01, 02, 03, 04) of the arcs that constitute them are arranged symmetrically with respect to the geometric center (O) of the pad, which is in practice located at the intersection of the diagonals of the square constituted by said points. (01 to 04).
  • the lobes (1, 2, 3, 4) are separated by grooves (5, 6, 7, 8) provided for the oil supply.
  • the circle (9) represented in FIG. 1 in dashed lines passes through the four points which appear at the place where the arrows schematizing the four lobes (1, 2, 3, 4) point at the intersection between said lobes.
  • such a pad is adapted to operating hypotheses with high sliding speed and variable radial loads of low to moderate level.
  • This pad is asymmetrical, that is to say that the angular sectors covered by each of the lobes (L1, L2, L3, L4) are different.
  • the eccentricities of the centers (01, 02, 03, 04) with respect to the geometric center (O) of the bearing are also variable from one lobe to the other.
  • the lobe (L1) is the lobe of charge. Its angular aperture is therefore much higher than that of the lobe (L2), so as to obtain a maximum lift surface.
  • the pad is in this case constituted by two half shells (10, 11).
  • the lobes (L1) and (L2) are located in the half-pad (10), while the lobes (L3) and (L4) are arranged in the other half-pad (11).
  • the joint plane is oriented angularly so that the nominal load is directed on the lobe (L1).
  • the angular sector of the lobe (L1), as well as the radius of curvature and consequently the eccentricity of (01) with respect to (O) allows optimum lift of the oil film resulting in particular from a decrease in peak values.
  • the anti-friction metal of the sliding surface has a better mechanical endurance due to these increased lift performance.
  • the lobes (L2) to (L4) are stabilization and holding lobes with greater eccentricities of the points (02) to (04) than that of the lobe (L1).

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Abstract

Coussinet hydrodynamique à quatre lobes (L1, L2, L3, L4) à centres de courbure excentrés par rapport à son centre géométrique, lesdits lobes (L1, L2, L3, L4) étant séparés par des rainures (5, 6, 7, 8) d'alimentation en huile, caractérisé en ce que les lobes (L1, L2, L3, L4) sont dissymétriques et présentent : des ouvertures angulaires d'au moins deux valeurs différentes; au moins deux excentricités différentes par rapport au centre géométrique (O) du coussinet; les centres (O1, O3; O2, O4) de deux lobes opposés (L1, L3; L2, L4) étant alignés avec le centre géométrique (O) du coussinet.

Description

Coussinet hydrodynamique à lobes asymétriques.
La présente invention a trait à un coussinet hydrodynamique à quatre lobes destiné à fonctionner à fortes charges et à fortes vitesses tout en ayant un fonctionnement stable à vide. Ses capacités spécifiques sont particulièrement recherchées dans le cas de coussinets d'arbres de réducteurs ou multiplicateurs de vitesse à engrenages de forte puissance.
L'usage de coussinets hydrodynamiques à quatre lobes symétriques est bien connu, et très répandu. Lesdits lobes constituent quatre surfaces de glissement cylindriques identiques obtenues par alésage à des diamètres légèrement supérieurs au diamètre d'assemblage du coussinet, comme cela est représenté en figure 1.
Les ouvertures angulaires des lobes sont identiques, et quatre rainures d'alimentation en huile sont usinées entre les lobes. Une telle configuration, dans laquelle les centres des alésages des lobes sont excentrés par rapport au centre géométrique du coussinet, permet d'obtenir quatre effets de précharge sur l'arbre. Ces effets sont particulièrement intéressants pour améliorer la stabilité hydrodynamique du film porteur de l'arbre dans les cas de fonctionnement à faible charge radiale et vitesse élevée, ou dans les cas de fonctionnement de lignes d'arbres rapides à comportements dynamiques critiques.
La disposition symétrique des lobes permet de plus à l'arbre de tourner dans les deux sens de rotation avec une portance identique. Dans l'hypothèse du choix de valeurs importantes d'excentration des lobes pour produire des précharges élevées, il est également possible de garantir que, quelle que soit la direction angulaire de la charge, l'arbre ne viendra jamais se positionner sur une rainure de distribution d'huile, ce qui aurait pour effet d'entraîner une chute de portance de l'arbre ou des instabilités vibratoires hydrodynamiques. L'usage d'un coussinet à quatre lobes symétriques est donc particulièrement bien adapté aux cas de fonctionnements à fortes vitesses de glissement et pour des charges radiales variables de niveau faible ou modéré, d'orientation angulaire également variable.
Dans cette configuration, compte tenu de l'espace nécessaire à la distribution d'huile aux surfaces de frottement, l'ouverture angulaire de chacune des rainures d'alimentation est de l'ordre de 20°, ce qui limite l'ouverture angulaire de chacune des surfaces portantes à environ 70°. Cette valeur explique la faible capacité de charge d'un coussinet standard à quatre lobes en comparaison par exemple avec celle d'un coussinet à deux lobes fixes dont les ouvertures actives sont supérieures à 150°. La présente invention a pour but, par une modification des ouvertures angulaires de chacun des quatre lobes, de permettre d'obtenir des capacités de charge élevées, tout en conservant les avantages précités du coussinet à quatre lobes symétriques. A cet effet, le coussinet hydrodynamique de l'invention, également doté de quatre lobes à centres de courbure excentrés par rapport à son centre géométrique, lesdits lobes étant classiquement séparés par des rainures d'alimentation en huile, se caractérise à titre principal en ce que les lobes sont dissymétriques et présentent :
- des ouvertures angulaires d'au moins deux valeurs différentes ;
- au moins deux excentricités différentes par rapport au centre géométrique du coussinet ; les centres de deux lobes opposés étant alignés avec le centre géométrique du coussinet.
Dans cette nouvelle configuration, les quatre lobes ne remplissent pas les mêmes fonctions, d'où leur géométrie différente. Il est ainsi possible d'affecter à l'un des lobes une ouverture angulaire nettement plus élevée que celle des autres, de manière à obtenir une surface maximale de portance.
Dans ce cas, ce lobe est le lobe de charge. La valeur élevée de son ouverture angulaire permet, à effort appliqué identique, d'obtenir des valeurs de pic de pression dans le coin d'huile plus faibles et des épaisseurs de film d'huile supérieures. Ces meilleures performances de portance ont pour conséquence une amélioration de la tenue en endurance du métal anti- friction de la surface de glissement et une réduction de la température à l'endroit où l'épaisseur du film est minimale. L'excentration, par rapport au centre géométrique du coussinet, du centre du lobe d'ouverture angulaire maximale ainsi que la valeur de l'angle de charge sont choisies de manière à avoir les conditions optimales de portance du film d'huile.
Les trois autres lobes, d'ouverture angulaire plus réduite, sont des lobes de maintien et de stabilisation. Pour cette raison, les excentrations de leur centre ont des valeurs très supérieures à l'excentration du centre du lobe de charge. Le choix des excentrations et des ouvertures angulaires des surfaces actives des quatre lobes assure la continuité de guidage de l'arbre. Comme dans le cas d'un coussinet à quatre lobes symétriques, l'arbre ne peut pas venir au contact des dispositifs de lubrification et de refroidissement disposés entre la fin de la surface active de glissement d'un lobe et le début de la zone active du lobe suivant. Les lobes peuvent par ailleurs présenter au moins deux largeurs axiales différentes.
Selon l'invention, pour un arbre centré au centre géométrique du coussinet, les points à jeu minimal de deux lobes opposés sont alignés avec le centre géométrique du coussinet. Dans cette hypothèse, ces points sont situés sur un cercle dont le diamètre correspond au diamètre d'assemblage du coussinet. Cette disposition permet de conserver pour le coussinet à quatre lobes dissymétriques la facilité de contrôle dimensionnel du diamètre d'assemblage que présentent les coussinets à quatre lobes symétriques. Le coussinet de l'invention peut être constitué de deux demies coquilles d'ouverture angulaire de 180° chacune.
Plus précisément, chacune de ces demies coquilles peut comporter deux lobes et deux rainures. Le plan de joint du coussinet est orienté angulairement de manière à ce que la charge nominale soit dirigée sur le lobe de charge. L'invention va à présent être décrite plus en détail,en référence aux différentes figures, pour lesquelles :
- la figure 1 est une vue en section d'un coussinet à quatre lobes symétriques constituant l'art antérieur ; - la figure 2 représente un coussinet à quatre lobes dissymétriques, faisant l'objet de la présente invention.
En référence à la figure 1 , les quatre lobes (1 , 2, 3, 4) sont symétriques, c'est-à-dire qu'ils ont la même ouverture angulaire et le même rayon de courbure. Ainsi, les quatre centres (01 , 02, 03, 04) des arcs qui les constituent sont disposés symétriquement par rapport au centre géométrique (O) du coussinet, lequel est en pratique situé à l'intersection des diagonales du carré constitué par lesdits points (01 à 04). Les lobes (1 , 2, 3, 4) sont séparés par des rainures (5, 6, 7, 8) prévus pour l'alimentation en huile.
Le cercle (9) représenté en figure 1 en traits pointillés passe par les quatre points qui apparaissent à l'endroit où pointent les flèches schématisant les quatre lobes (1 , 2, 3, 4), à l'intersection entre lesdits lobes
(1 , 2, 3, 4) et les droites respectivement (01 , 03) et (02, 04). Le diamètre de ce cercle correspond au diamètre d'assemblage du coussinet.
Comme déjà mentionné, un tel coussinet est adapté à des hypothèses de fonctionnement à forte vitesse de glissement et charges radiales variables de niveau faible à modéré.
L'un des avantages de cette configuration peut être vu dans le fait que ce coussinet fonctionne de la même manière dans les deux sens de rotation possibles. Il présente cependant des limitations en cas de fonctionnement à forte charge et à forte vitesse.
Le coussinet apparaissant en figure 2, qui est l'objet de la présente invention, remédie à ces inconvénients et propose une configuration qui est parfaitement adaptée à des fortes charges, même dans les hypothèses de forte vitesse. Ce coussinet est dissymétrique, c'est-à-dire que les secteurs angulaires couverts par chacun des lobes (L1 , L2, L3, L4) sont différents. Corollairement, les excentricités des centres (01 , 02, 03, 04) par rapport au centre géométrique (O) du palier sont également variables d'un lobe à l'autre. Le lobe (L1 ) est le lobe de charge. Son ouverture angulaire est par conséquent nettement plus élevée que celle du lobe (L2), de manière à obtenir une surface maximale de portance. Le coussinet est en l'espèce constitué de deux demies coquilles (10, 11 ). Les lobes (L1) et (L2) sont situés dans le demi coussinet (10), alors que les lobes (L3) et (L4) sont disposés dans l'autre demi coussinet (11).
Le plan de joint est orienté angulairement de manière à ce que la charge nominale soit dirigée sur le lobe (L1 ). Le secteur angulaire du lobe (L1 ), ainsi que le rayon de courbure et par conséquent l'excentration de (01 ) par rapport à (O) permet une portance optimale du film d'huile résultant notamment d'une diminution des valeurs du pic de pression dans le coin d'huile, ainsi que d'une augmentation des épaisseurs de film d'huile au niveau du lobe (L1). Le métal anti-friction de la surface de glissement présente une meilleure tenue mécanique en endurance du fait de ces performances accrues de portance.
Les lobes (L2) à (L4) sont des lobes de stabilisation et de maintien présentant des excentrations plus importantes des points (02) à (04) que celle du lobe (L1 ).
Le choix de ces excentrations ainsi que le choix des ouvertures angulaires des surfaces actives des quatre lobes assurent la continuité du guidage de l'arbre. Celui-ci ne peut pas venir, dans cette configuration, au contact des dispositifs de lubrification et de refroidissement placés entre deux lobes successifs. Il est à noter que, dans cette configuration, même les rainures d'alimentation en huile (5) à (8) peuvent être dissymétriques, angulairement et en largeur axiale.
Cette solution, outre l'amélioration claire de la portance du film d'huile au niveau du lobe de charge, permet de dimensionner les surfaces de glissement des lobes non chargés de manière à optimiser le refroidissement du coussinet et réduire les pertes par frottement.

Claims

REVENDICATIONS
1. Coussinet hydrodynamique à quatre lobes (l_1 , l_2, l_3, L4) à centres de courbure excentrés par rapport à son centre géométrique, lesdits lobes (L1 , l_2, l_3, L4) étant séparés par des rainures (5, 6, 7, 8) d'alimentation en huile, caractérisé en ce que les lobes (L1 , l_2, L3, L4) sont dissymétriques et présentent :
- des ouvertures angulaires d'au moins deux valeurs différentes ;
- au moins deux excentricités différentes par rapport au centre géométrique (O) du coussinet ; les centres (01 , 03 ; 02, 04) de deux lobes opposés (L1 , L3 ; L2, L4) étant alignés avec le centre géométrique (O) du coussinet.
2. Coussinet hydrodynamique à quatre lobes (L1 , L2, L3, L4) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que les lobes (L1 , L2, L3, L4) présentent au moins deux largeurs axiales différentes.
3. Coussinet hydrodynamique à quatre lobes (L1 , L2, L3, L4) selon la revendication précédente, caractérisé en ce que, pour une arbre centré au centre géométrique (O) du coussinet, les points à jeu minimal de deux lobes opposés (L1 , L3 ; L2, L4) sont alignés avec le centre géométrique (O) du coussinet.
4. Coussinet hydrodynamique à quatre lobes (L1 , L2, L3, L4) selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les points à jeu minimal des quatre lobes (L1 , L2, L3, L4), lorsque l'arbre est centré au centre géométrique (O) du coussinet, sont situés sur un cercle (9) dont le diamètre correspond au diamètre d'assemblage du coussinet.
5. Coussinet hydrodynamique à quatre lobes (L1 , L2, L3, 4) selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il est constitué de deux demies coquilles (10, 1 1 ) d'ouverture angulaire de 180°.
6. Coussinet hydrodynamique à quatre lobes (L1 , L2, L3, L4) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu'il comporte deux lobes (L1 ,
L2 ; L3, L4) et deux rainures (5, 8 ; 6, 7) par demie coquille (10, 1 1 ).
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