WO2011117412A1 - Lageranordnung mit mindestens zwei relativ zu einander drehbaren teilen - Google Patents

Abstract

Bei einer Lageranordnung mit mindestens zwei relativ zueinander drehbaren Teilen (10, 12) weist eines der Teile (10) mindestens eine ringförmige, konzentrisch zur Drehachse (A) verlaufende Nut (14) und das andere Teil (12) eine dazu komplementäre Feder (16) auf, die in die Nut (14) eingreift. Jedes der Teile (10, 12) ist an durch die Nut (14) und die Feder (16) gehenden Teilungsflächen (20) in mindestens zwei Sektoren (10a, 12a) unterteilt, wobei die Feder (16) sich über alle Sektoren (12a) des zugehörigen Teiles (12) erstreckt.

Description

LAGERANORDNUNG MIT MINDESTENS ZWEI RELATIV ZU

EINANDER DREHBAREN TEILEN

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung mit mindestens zwei relativ zu einander drehbaren Teilen.

Solche Lageranordnungen finden beispielsweise im Maschinenbau Anwendung und werden generell überall dort eingesetzt, wo zwei Bauteile so aneinander abgestützt werden sollen, dass sie relativ zueinander drehbar sind. Ein typisches Beispiel ist die Lagerung einer Welle in einem Lagerring.

Wenn der Lagerring einteilig und geschlossen ist, kann die Welle bei der Montage des Lagers nur von einem Ende her in den Lagerring eingesteckt werden. Das bedeutet, dass für die Montage der Lageranordnung in Richtung der Drehachse mehr Bauraum zur Verfügung stehen muss, als bei fertig montierter Lageranordnung tatsächlich benötigt wird. In Einbausituationen, in denen die Lageranordnung unter beengten räumlichen Verhältnissen zu montieren ist, erweist sich dies häufig als nachteilig.

Es ist bekannt, den Lagerring in zwei Halbringe zu teilen, so dass die Welle zunächst in einen der Halbringe eingelegt werden kann und die Lageranordnung dann durch Ansetzen des zweiten Halbringes und Verbinden der beiden Halbringe komplettiert werden kann. In diesem Fall ist es jedoch nicht möglich, die beiden drehbaren Teile endweise miteinander zu verbinden. Das eine der beiden Teile, das als Lagerring fungiert, muss stets einen deutlich größeren Durchmesser haben als das wellenartige Teil. In diesem Fall wird daher zusätzlicher Bauraum in der Richtung radial zur Drehachse benötigt. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Lageranordnung zu schaffen, die einen kompakten Aufbau aufweist und sich auch unter beengten räumlichen Verhältnissen montieren lässt.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass eines der Teile mindestens eine ringförmige, konzentrisch zur Drehachse verlaufende Nut und das andere Teil eine dazu komplementäre Feder aufweist, die in die Nut eingreift, und dass jedes der Teile an durch die Nut und die Feder gehenden Teilungsflächen in mindestens zwei Sektoren unterteilt ist, wobei die Feder sich über alle Sektoren des zugehörigen Teiles erstreckt.

Diese Lageranordnung lässt sich montieren, ohne dass eines der beiden Teile in Richtung der Drehachse in das andere eingesteckt werden muss. Dennoch können beide Teile gleiche Außendurchmesser haben. Bei der Montage nimmt man zunächst einen Sektor des die Nut aufweisenden Teils und einen Sektor des die Feder aufweisenden Teils und dreht diese beiden Sektoren so ineinander, dass die Feder in die Nut eingeführt wird. Anschließend werden zwei weitere Sektoren der beiden Bauteile in entsprechender Weise zusammengefügt und an das Paar der zuerst zusammengefügten Sektoren angesetzt. Falls die Teile in mehr als zwei Sektoren aufgeteilt sind, verfährt man entsprechend, bis beide Teile komplettiert sind. Die Teile lassen sich dann um die Drehachse relativ zueinander verdrehen, wobei sich die Federn in den ringförmigen Nuten bewegen.

In nahezu allen Phasen der Drehbewegung erstreckt sich dann die Feder eines einzelnen Sektors über zwei Sektoren des mit den Nuten versehenen Teils, so dass aufgrund der Krümmung der Nuten und der Federn die beiden Teile in jeder zur Drehachse senkrechten Richtung formschlüssig zusammengehalten werden. Lediglich punktuell, beispielsweise wenn wieder die ursprüngliche Drehposition erreicht wird, könnten die Teile theoretisch in ihre Sektoren auseinanderfallen. Erforderlichenfalls können jedoch die Sektoren mindestens eines Teils durch irgendwelche geeigneten Verbindungsmittel aneinander fixiert werden, um dies zu verhindern.

In WO 2009/062618 A2 wird eine ähnliche Fügetechnik für Knoten und Stäbe eines Stabtragwerks beschrieben. Dort werden die Stäbe relativ zu den Knoten jedoch nur so weit verdreht, dass die Federn in eine Position gelangen, in der sie jeweils zwei Sektoren des mit den Nuten versehenen Teils zusammenhalten, so dass die Teile formschlüssig miteinander verbunden sind. Die Stäbe werden dann in dieser Winkelstellung fixiert, damit der Formschluss stabil erhalten bleibt. Der Gedanke, eine solche Fügetechnik zum Aufbau eines Lagers einzusetzen, bei dem ein Bauteil ständig relativ zu dem anderen Bauteil drehbar ist, wird in dieser Druckschrift nicht angesprochen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der erfindungsgemäßen Lageranordnung können die Anzahl der Sektoren der einzelnen Teile, die Formen dieser Teile und die Gestaltung der Nuten und Federn in einem weiten Bereich variieren.

Im allgemeinen wird jedes Teil nur in zwei Sektoren (Halbkreise) unterteilt sein, doch ist auch eine Aufteilung in drei, vier oder mehr gleich große oder unterschiedlich große Sektoren möglich.

Die Teilungsflächen zwischen den einzelnen Sektoren müssen durch die Nut bzw. die Feder hindurchgehen und sollten so beschaffen sein, dass sich die Sektoren allein durch Bewegungen in der zur Drehachse senkrechten Ebene aneinander anbauen lassen. Dazu müssen die Teilungsflächen jedoch nicht eben sein, sondern sie können wahlweise auch gekrümmt sein. Die Teilungsflächen der verschiedenen Teile müssen auch nicht formidentisch sein, sondern können beispielsweise auch so verlaufen, dass in jeder Drehposi- tion mindestens ein Sektor des einen Teils mit mindestens zwei Sektoren des anderen Teils überlappt, wodurch zugleich der Zusammenhalt der Sektoren verbessert wird.

Auch die Lagerflächen der Teile, also diejenigen Oberflächen der Teile, an bzw. in denen die Federn und die Nuten ausgebildet sind, brauchen nicht eben zu sein. Es genügt, wenn die Nut und die Feder jeweils ringförmig sind, wobei die Feder nicht durchgehend zu sein braucht, sondern auch abschnittsweise unterbrochen sein kann. Eine besonders kompakte Bauweise wird mit der erfindungsgemäßen Lageranordnung dann erreicht, wenn die Nuten sich in einer Richtung öffnen, die mit der Richtung der Drehachse allenfalls einen kleinen Winkel bildet. In den meisten praktischen Fällen werden die La- gerflächen eben sein und rechtwinklig zur Drehachse verlaufen, so dass die Nuten sich exakt in der zur Drehachse parallelen Richtung öffnen. Durch die Lageranordnung können dann zwei Bauteile, die etwa gleiche Außendurchmesser haben, endweise miteinander verbunden werden, wobei die Flanken der Nuten und Federn als Radiallager wirken.

Andererseits brauchen die beiden Teile der Lageranordnung nicht stabförmig zu sein, sondern können im Prinzip beliebige Formen haben. In der Praxis besonders attraktiv ist eine Lageranordnung mit scheibenförmigen Teilen, die in Richtung der Drehachse eine besonders kleine Baulänge aufweist.

Wenn bei einem Radiallager hohe Radialkräfte aufzunehmen sind, können mehrere Ringe aus Nuten und Federn konzentrisch zueinander an den Teilen angeordnet sein, wobei die Nuten und Federn auch abwechselnd an dem einen und dem anderen Teil ausgebildet sein können. Da die Federn nur zu einer begrenzten Tiefe in die Nuten eintauchen können, wirkt die Lageranordnung auch als Axiallager, die im Sinne einer gegenseitigen Annäherung der beiden Bauteile wirkende Axialkräfte aufnehmen kann. Wenn auch Zugkräfte, also Axialkräfte in entgegengesetzter Richtung aufgenommen werden sollen, ist es möglich, die Nuten hinterschnitten und die Federn entsprechend komplementär auszubilden. Die Lageranordnung kann wahlweise als Gleitlager, Wälzlager, hydrostatisches oder pneumatisches Lager, als fluiddynamisches Lager, Magnetlager oder elektrostatisches Lager ausgebildet sein. Im Fall eines Wälzlagers greifen die Federn mit etwas Spiel in die Nuten ein, und in den Zwischenräumen zwischen den Nuten und Federn können Wälzkörper aufgenommen werden, die dann vorzugsweise in Käfigen gehalten sind, die sich über die Länge der Federn erstrecken. Eine Schmierung ist auf dieselbe Weise wie bei herkömmlichen Lagern möglich.

Die Lageranordnung kann auch als hydraulisch schaltbare Kupplung genutzt werden. Wenn die beiden Teile so gegeneinander gespannt werden, dass die mit den Nuten und Federn versehenen Lagerflächen fest aneinander anliegen, ergibt sich die Wirkung einer Reibungskupplung. Diese Wirkung kann durch keilförmige Gestaltung der Nuten und Federn noch verstärkt werden. Wenn dagegen in den Spalt zwischen den beiden Lagerflächen ein Druckfluid eingeleitet wird, das zugleich als Schmiermittel dienen kann, so werden die Lagerflächen entgegen der von außen einwirkenden Vorspannung auseinandergedrückt, so dass die Kupplung gelöst wird und die Teile reibungsarm gegeneinander drehbar sind. Wenn die Nuten und Federn beispielsweise schwalbenschwanzförmig gestaltet sind, lässt sich auch der gegenteilige Effekt erreichen, d.h. die Teile werden reibschlüssig miteinander gekuppelt, wenn man sie auseinanderzieht oder hydraulisch auseinanderdrückt, und die Kupplung wird gelöst, wenn die Teile axial zusammengedrückt werden. Wenn die Federn elastisch sind, kann die Kupplungswirkung auch dadurch erreicht werden, dass die Federn z. B. hydraulisch in radialer Richtung ausgelenkt und gegen die Nutflanken angedrückt werden.

Selbstverständlich ist die Anzahl der Teile nicht auf zwei beschränkt. Beispielsweise kann eine sandwichartige Lageranordnung aus drei oder mehr Teilen gebildet werden, wobei die inneren Teile dann jeweils zwei Lagerflächen haben, die jeweils mit einem der beiden Nachbarn zusammenwirken. Diese inneren Teile können dann wahlweise auf beiden Seiten Nuten oder auf beiden Seiten Federn aufweisen oder auf einer Seite Nuten und auf der anderen Seite Federn.

Die ringförmigen Anordnungen der Nuten und Federn müssen bei mehr als drei Teilen auch nicht konzentrisch zu derselben Drehachse sein, sondern die Drehachsen können parallel gegeneinander versetzt sein oder auch einen Winkel miteinander bilden. Wenn die Drehachsen parallel gegeneinander versetzt sind, lässt sich beispielsweise eine Pleuel-Lagerung realisieren.

Im folgenden wird ein einfaches Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine axiale Ansicht von Teilen einer erfindungsgemäßen Lageranordnung in einem ersten Montageschritt;

Fig. 2 einen Schnitt längs der Linie II - II in Fig. 1;

Fig. 3 eine Ansicht der Lageranordnung in einem nachfolgenden Montageschritt;

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie IV - IV in Fig. 3;

Fig. 5 eine axiale Ansicht der Lageranordnung in einem weiteren Montageschritt;

Fig. 6 eine Ansicht in Richtung der Pfeile VI - VI in Fig. 5; Fig. 7 eine axiale Ansicht der Lageranordnung in einem weiteren Montageschritt;

Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie VIII - VIII in Fig. 7;

Fig. 9 eine axiale Ansicht der fertig montierten Lagerordnung;

Fig. 10 einen Schnitt längs der Linie X - X in Fig. 9; und

Fig. 11 einen vergrößerten Schnitt durch Lagerflächen der erfindungsgemäßen

Lageranordnung.

In der Zeichnung wird die Erfindung am Beispiel einer Lageranordnung illustriert, die aus zwei kreisscheibenförmigen Teilen besteht, die an einer Stirnfläche aneinanderlie- gen und um eine Drehachse A gegeneinander verdrehbar sind. Jedes dieser Teile ist in zwei halbkreisförmige Sektoren unterteilt.

Fig. 1 zeigt einen ersten Montageschritt, in dem ein erster Sektor 10a eines ersten Teils 10 und ein erster Sektor 12a eines zweiten Teils 12 so gegeneinander gehalten sind, dass sie sich im Grundriss zu einem Vollkreis ergänzen. Wie in der Schnittdarstellung in Fig. 2 zu erkennen ist, sind die Teile jedoch in der Richtung senkrecht zur Zeichenebene in Fig. 1 um die Scheibendicke gegeneinander versetzt. Das Teil 10 weist auf der in Fig. 1 nicht sichtbaren Rückseite zwei ringförmige, auf die Drehachse A zentrierte Nuten 14 auf, die im Querschnitt nach Art eines Schwalbenschwanzprofils hinterschnitten sind. Der Sektor 10a weist jeweils nur einen halbkreisförmigen Abschnitt dieser Nuten auf.

Das zweite Teil 12 weist auf der dem ersten Teil 10 zugewandten Seite zwei ringförmige Federn 16 auf, die ein zu dem Profil der Nuten 14 komplementäres Schwalben- Schwanzprofil haben und halbkreisförmig über die Oberfläche des ersten Sektors 12a verlaufen.

Fig. 3 und 4 zeigen einen Montageschnitt, in dem der Sektor 12a des zweiten Teils 12 relativ zum ersten Teil 10 so um die Drehachse A der Lageranordnung gedreht wird, dass die Federn 16 in die Nuten 14 eintreten.

In Fig. 5 und 6 sind die beiden Sektoren so weit ineinandergedreht, dass sie völlig dek- kungsgleich sind. Durch die Schwalbenschwanzprofile der Nuten 14 und der Federn 16 werden die Sektoren in diesem Zustand formschlüssig zusammengehalten, so dass sie nur gegeneinander verdreht werden können, aber keine anderen Bewegungen relativ zueinander ausführen können.

In entsprechender Weise werden dann ein zweiter Sektor 10b des ersten Teils 10 und ein zweiter Sektor 12b des zweiten Teils 12 ineinander gedreht und in der in Fig. 7 und 8 gezeigten Weise an die Sektoren 10a und 12a angesetzt. Wie Fig. 8 zeigt, erstrecken sich die Nuten 14 und die Federn 16 auch halbkreisförmig über die Sektoren 10b und 12b, so dass sie sich in der in Fig. 7 gezeigten Konfiguration zu Vollkreisen ergänzen.

Die beiden Teile 10, 12 sind nun komplett und liegen mit rechtwinklig zur Drehachse A verlaufenden Lagerflächen 18 (Fig. 8) aneinander an. Außerdem ist jedes Teil 10, 12 entlang einer durch die Drehachse A gehenden (in diesem Fall ebenen) Teilungsfläche 20 in zwei Sektoren 10a, 10b bzw. 12a, 12b unterteilt. In diesem Zustand können nun die Sektoren 10a, 10b des ersten Teils 10 und entsprechend die Sektoren 12a, 12b des zweiten Teils 12 mechanisch miteinander verbunden werden, etwa durch Kleben, Schweißen oder irgendeine andere geeignete Weise. Im gezeigten Beispiel weisen die Teile 10, 12 jeweils eine in der Richtung rechtwinklig zur Teilungsfläche 20 durchgehende Bohrung 22 auf, in die ein Zugbolzen eingesteckt werden kann, mit dem die beiden Sektoren miteinander verspannt werden. Erforderlichenfalls können auch zwei par- allele Bohrungen vorgesehen sein, damit die Sektoren bündig miteinander ausgerichtet bleiben. Zu dem gleichen Zweck können an den Teilungsflächen 20 auch Nut/Feder- Verbindungen vorgesehen sein.

Die Lageranordnung ist nun komplett, und die beiden Teile 10 und 12 können um die Drehachse A gegeneinander verdreht werden.

In Fig. 9 und 10 sind die beiden Teile 10, 12 um 90° gegeneinander verdreht, so dass man in Fig. 10 beide Sektoren 12a und 12b des Teils 12 sieht. Die Schnittebene verläuft hier längs der Teilungsfläche 20 des Teils 10. Die Bohrung 22 des Teils 12 ist daher in Fig. 10 im Längsschnitt zu sehen.

Die Lagerflächen 18 und die Begrenzungsflächen der Nuten 14 und Federn 16 können miteinander in Gleitberührung stehen. Wahlweise können in den Teilen 10, 12 auch Bohrungen zur Zufuhr eines Schmiermittels zu den Gleitflächen vorgesehen sein.

Zur Reibungsminderung kann die Lageranordnung auch als Wälzlager ausgebildet werden, wie als Beispiel in Fig. 11 gezeigt ist. Am Grund einer der Nuten 14 des Teils 10 ist hier ein Käfig 24 mit Wälzkörpern 26 angeordnet. Der Käfig kann eine dem Verlauf der Nut 14 in dem betreffenden Sektor des Teils 10 entsprechende Halbkreisform haben und kann bei der Montage der Lageranordnung in die Nut 14 hineingedreht werden. Beispielsweise können in dem in Fig. 3 bis 6 gezeigten Montageschritt die Käfige zunächst in die Nuten 14 des Sektors 10a eingeführt und um 90° gedreht werden, bevor die Federn 16 in die Nuten hineingedreht werden. Wenn die Wälzkörper am Grund der Nut und auf dem Scheitel der Feder abwälzen, ist die Geschwindigkeit des Käfigs 24 halb so groß wie die Drehgeschwindigkeit des Sektors 12a, so dass, wenn der in Fig. 5 und 6 gezeigte Zustand erreicht ist, auch der Käfig 24 bündig in diesen Sektoren liegt. Der Käfig 24 wirkt als Drucklager, das Axialkräfte aufnimmt, die die Tendenz haben, die beiden Teile 10 und 12 zusammenzurücken.

In der anderen Nut 14 des Teils 10 sind dagegen Käfige 28 mit Wälzkörpern 30 an den Flanken der Nut angeordnet. Diese Käfige und Wälzkörper bilden ein Radiallager sowie, aufgrund des Schwalbenschwanzprofils der Feder 16, ein Zuglager zur Aufnahme von axialen Kräften, die die Tendenz haben, die Teile 10 und 12 auseinanderzuziehen. Auch die Käfige 28 verlaufen halbkreisförmig in dem jeweiligen Sektor, sind dabei jedoch entsprechend der Flankenneigung der Nuten 14 konisch ausgebildet. Bei hochbelasteten Lagern mit großen Durchmessern kann sich negativ auswirken, dass die Wälzkörper 30, die in demselben Käfig 28 gehalten sind, aufgrund der leicht unterschiedlichen Bahnradien unterschiedlich weite Wege zurücklegen müssen, wenn sie schlupffrei an den Lagerflächen abwälzen. Das lässt sich erforderlichenfalls dadurch ausgleichen, dass Wälzkörper mit entsprechend unterschiedlichen Durchmessern verwendet werden und die Breite des Spaltes zwischen den Flanken der Nut 14 und den Wänden der Federn 16 entsprechend angepasst wird.

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Lageranordnung mit mindestens zwei relativ zueinander drehbaren Teilen (10, 12), dadurch gekennzeichnet, dass eines der Teile (10) mindestens eine ringförmige, konzentrisch zur Drehachse (A) verlaufende Nut (14) und das andere Teil (12) eine dazu komplementäre Feder (16) aufweist, die in die Nut (14) eingreift, und dass jedes der Teile (10, 12 ) an durch die Nut (14) und die Feder (16) gehenden Teilungsflächen (20) in mindestens zwei Sektoren (10a, 10b; 12a, 12b) unterteilt ist, wobei die Feder (16) sich über alle Sektoren (12a, 12b) des zugehörigen Teiles (12) erstreckt.

2. Lageranordnung nach Anspruch 1, bei der die Teile (10, 12) außerhalb der Nuten (14) und Federn (16) mit ebenen, rechtwinklig zur Drehachse (A) verlaufenden La- gerflächen (18) aneinander anliegen.

3. Lageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Teilungsflächen (20) eben sind.

4. Lageranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der jedes der Teile (10, 12) in genau zwei Sektoren (10a, 10b; 12a, 12b) aufgeteilt ist.

5. Lageranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Teile (10, 12) über mehrere, konzentrisch angeordnete Paare von Nuten (14) und Federn (16) miteinander in Eingriff stehen.

6. Lageranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Nuten (14) und die Federn (16) ein hinterschnittenes Profil haben.

7. Lageranordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit in den Nuten (14) angeordneten Wälzkörpern (26, 30).

8. Lageranordnung nach Anspruch 7, bei der die Wälzkörper (26; 30) jeweils in Käfigen (24; 28) gehalten sind, deren Länge dem Abschnitt der Nut (14) in dem jeweiligen Sektor (10a, 10b) entspricht.