WO2016026490A1 - Lagerring und schichtweises verfahren zur herstellung eines lagerrings - Google Patents

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Definitions

  • the invention relates to a bearing ring with integrated cooling channels and a method for producing a bearing ring with integrated cooling channels.
  • Bearing rings in aircraft engines are generally exposed to high roll-over loads and high operating temperatures. This applies in particular to bearing rings in main shaft bearings.
  • materials for such bearing ring predominantly heat-resistant through hardening or case hardened steels, such as M50 (AMS 6491), M50NiL (AMS 6278), RBD, Pyrowear 675 (AMS 5930) are used.
  • the heat dissipation from the contact areas is carried out by a continuous flow of oil.
  • improved heat dissipation from the contact region can bring about an increase in performance of bearings, for example in the engine area.
  • a heat dissipation is known for example from EP 2 503 107 B1, which describes a bearing arrangement for a turbomachine, wherein a bearing housing part with a coolant channel and a bearing housing part are provided with a lubricant passage, wherein the coolant passage and the lubricant passage are fluidly separated from each other.
  • a composite material is described from a bearing housing with integrated cooling channels in conjunction with a bearing shell.
  • EP 2 503 107 B1 also permits heat dissipation from the contact region.
  • the possibility of cooling is limited, since the channels through which the coolant flows are relatively far away from the contact surface, since the bearing shell must have a certain minimum thickness for reasons of strength.
  • the production of the described composite is problematic.
  • the object of the invention is therefore to provide bearing rings and a method for their production, wherein an effective heat dissipation from the contact area is possible.
  • the bearing ring according to the invention comprises integrated internal cooling channels, which have a cross section which deviates from a circular shape.
  • the cross section may be similar to a curved slot, triangle, semicircle, circular ring section or polygon.
  • a cross-section which extends arcuately in a similar shape as the raceway to be cooled, so to speak nestled or adapted to the raceway shape.
  • This shape increases the Heat transfer between the cooling channel and raceway. This inevitably also improves the strength of the bearing used in terms of speed, load capacity and temperature range.
  • a more compact design is possible: Basically, a more compact design with the same external load leads to higher surface pressures in the rolling contacts. Associated with this are higher power losses generated in the rolling contacts and thus also higher thermal stresses on the bearing components.
  • these higher temperatures can be compensated or even reduced with the present invention by means of the oil flow in the raceway-near cooling channels with a smoothened cross-sectional shape.
  • a larger heat flow can be removed by the near-line introduction of the cooling channels and the optimized cross-sectional shape, this is the case with the arrangement of the cooling channels in the bearing seat diameter. Conversely, this means that there is a lower need for cooling fluid, so less oil flow and a smaller heat exchange surface is needed, i. a smaller cross-sectional area of the channel or a shorter cooling channel.
  • the channel cross-section can vary over the course of the channel in terms of shape and area, whereby the heat exchange surface, the heat transfer coefficient and the flow rate of the coolant can be influenced.
  • This targeted influencing of the heat transfer in the circumferential direction can be advantageous for the dissipation of the power losses in the pronounced radially loaded roller bearings load zone in the circumferential direction.
  • special requirements for the structural strength of the rings can be taken into account.
  • cooling channels in the immediate vicinity of the contact zone, or the running surface of the bearing ring are introduced in such a way that they are integrated directly in the material which forms the raceway.
  • an effective dissipation of heat from the contact area by oil-flow channels is possible, which are located in the vicinity of the contact zones of the bearing rings.
  • An introduction of cooling channels is not possible in this area with hitherto applied manufacturing processes.
  • it is therefore provided to form the cooling channels during the molding of the bearing rings - preferably by a generative manufacturing method, such as laser melting, laser sintering or the like.
  • the invention is therefore intended to use a powder of a low-carbon steel for the additive manufacturing process.
  • the necessary hardness in the region of the raceways can then be achieved by subsequent surface hardening, for example by subsequent enrichment with carbon.
  • Fig. 1 shows a cross section through a bearing ring 10 according to the invention with along the track 1 1 introduced channels 12th
  • Fig. 2 shows a cross section through a lab with bearing rings according to the invention 10.
  • the raceways (1 1) are different channels (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) recognizable with different Qerterrorismsformen.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lagerring mit integrierten Kühlkanälen und ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings mit integrierten Kühlkanälen.

Description

Beschreibung
LAGERRING UND SCHICHTWEISES VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES LAGERRINGS
Die Erfindung betrifft einen Lagerring mit integrierten Kühlkanälen und ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings mit integrierten Kühlkanälen.
Stand der Technik
Lagerringe in Flugtriebwerken sind generell hohen Überrollbelastungen und hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt. Dies gilt in besonderem Maße für Lagerringe in Hauptwellenlagerungen. Als Werkstoffe für derartige Lagerring werden überwiegend warmfeste durchhärtende oder einsatzgehärtete Stähle, wie beispielsweise M50 (AMS 6491 ), M50NiL (AMS 6278), RBD, Pyrowear 675 ( AMS 5930) eingesetzt.
Die Wärmeableitung aus den Kontaktbereichen erfolgt durch einen kontinuierlichen Ölstrom. Dabei kann eine verbesserte Wärmeableitung aus dem Kontaktbereich eine Leistungssteigerung von Lagern bewirken, beispielsweise im Triebwerksbereich. Bekannt ist eine Wärmeableitung beispielsweise aus der EP 2 503 107 B1 , die eine Lageranordnung für eine Strömungsmaschine beschreibt, wobei ein Lagergehäuseteil mit einem Kühlmittelkanal und ein Lagergehäuseteil mit einem Schmiermittelkanal versehen sind, wobei der Kühlmittelkanal und der Schmiermittelkanal voneinander fluidisch getrennt sind. Konkret wird ein Materialverbund aus einem Lagergehäuse mit integrierten Kühlkanälen im Verbund mit einer Lagerschale beschrieben.
Da jedoch die Dauerfestigkeit der genannten warmfesten Stähle mit steigender Temperatur abnimmt und auch die Betriebstemperatur, unter der die zur Schmierung und Wärmeabfuhr verwendeten Öle eingesetzt werden können, begrenzt ist, kann mit den derzeit verwendeten Lagerwerkstoffen und Ölen eine höhere Temperatur im Kontaktbereich nicht zugelassen werden.
Grundsätzlich ist zwar beispielsweise auch in der EP 2 503 107 B1 eine Wärmeableitung aus dem Kontaktbereich möglich. Die Kühlmöglichkeit ist jedoch begrenzt, da die vom Kühlmittel durchströmten Kanäle relativ weit von der Kontaktfläche entfernt sind, da die Lagerschale aus Festigkeitsgründen eine bestimmte Mindestdicke aufweisen muss. Darüberhinaus ist die Herstellung des beschriebenen Verbundes problematisch. Weiterhin wird durch das Einbringen der Kühlkanäle am Innendurchmesser des Innenrings oder am Außendurchmesser des Aussenrings die dort vorliegenden Passungsverhältnisse, beispielsweise im Hinblick auf Festigkeit und unterschiedliche Ausdehnung der Passungspartner, beeinflusst.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es demnach, Lagerringe und ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, wobei eine effektive Wärmeabfuhr aus dem Kontaktbereich möglich ist.
Beschreibung der Erfindung
Gelöst wird die Aufgabe durch einen Lagerring gemäß Patentanspruch 1 .
Der erfindungsgemäße Lagerring umfasst dabei integrierte innenliegende Kühlkanäle, die einen Querschnitt aufweisen, der von einer Kreisform abweicht. Dabei kann der Querschnitt ähnlich einem gekrümmten Langloch, Dreieck, Halbkreis, Kreisringabschnitt oder Polygon ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt ist ein Querschnitt, der sich bogenförmig in ähnlicher Form wie die zu kühlende Laufbahn erstreckt, also gewissermaßen an die Laufbahnform angeschmiegt, bzw. angepasst ist. Durch diese Formgebung erhöht sich der Wärmeübergang zwischen Kühlkanal und Laufbahn. Dadurch verbessert sich zwangsläufig auch die Beanspruchbarkeit des eingesetzten Lagers im Hinblick auf Drehzahl, Lastfähigkeit und Temperaturbereich.
Ebenfalls ist eine kompaktere Bauweise möglich: Grundsätzlich führt eine kompaktere Bauweise bei gleicher äußerer Last zu höheren Flächenpressungen in den Wälzkontakten. Damit verbunden sind höhere in den Wälzkontakten erzeugte Verlustleistungen und somit auch höhere thermische Beanspruchungen der Lagerkomponenten. Mit der vorliegenden Erfindung durch den Ölstrom in den laufbahnnahen Kühlkanälen mit angeschmiegter Querschnittsform können einerseits diese höheren Temperaturen kompensiert bzw. sogar verringert werden. Zum anderen kann durch die laufbahnnahe Einbringung der Kühlkanäle und die optimierte Querschnittsform ein größerer Wärmestrom abtransportiert werden, dies bei Anordnung der Kühlkanäle im Lagersitzdurchmesser der Fall ist. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass ein geringerer Bedarf an Kühlflüssigkeit besteht, also weniger Ölvolumenstrom sowie eine kleinere Wärmeaustauschfläche benötigt wird, d.h. eine kleinere Querschnittsfläche des Kanals oder ein kürzerer Kühlkanal.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Kanalquerschnitt über den Kanalverlauf hinweg variieren in Form und Flächenmaß, wodurch die Wärmeaustauschfläche, der Wärmeübergangskoeffizient und die Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels beeinflusst werden kann. Diese gezielte Beeinflussung der Wärmeübertragung in Umfangsrichtung kann sich vorteilhaft für die Abfuhr der Verlustleistungen in der bei radial belasteten Wälzlagern ausgeprägten Lastzone in Umfangsrichtung auswirken. Darüber hinaus können durch in Umfangsrichtung veränderliche Querschnittsformen und Flächenmaße besondere Anforderungen an die Strukturfestigkeit der Ringe berücksichtigt werden.
Gelöst wird diese Aufgabe ferner durch ein Verfahren nach Patentanspruch 3.
Erfindungsgemäß werden Kühlkanäle in unmittelbarer Nähe der Kontaktzone, bzw. der Lauffläche des Lagerrings, dergestalt eingebracht, dass diese sich direkt integriert in dem Werkstoff, der die Laufbahn ausbildet, befinden. Damit ist eine wirksame Abfuhr von Wärme aus dem Kontaktbereich durch öldurchströmte Kanäle möglich, die sich in den Nahbereichen der Kontaktzonen der Lagerringe befinden. Ein Einbringen von Kühlkanälen ist in diesem Bereich mit bisher angewendeten Fertigungsverfahren nicht möglich. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, die Kühlkanäle während des Ausformens der Lagerringe auszubilden - vorzugsweise durch ein generatives Fertigungsverfahren, wie beispielsweise Laserschmelzen, Lasersintern oder dergleichen.
Allerdings ist dieses Verfahren nach dem derzeitigen Stand der Technik nicht anwendbar bei den durchhärtenden Stählen, die für die extremen Einsatzzwecke, beispielsweise in Flugtriebwerken, benötigt werden, da sich während des generativen Herstellungsprozesses starker Verzug und Risse bilden können.
Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, für das generative Fertigungsverfahren ein Pulver eines niedrigkohlenstoffhaltigen Stahles zu verwenden. Die notwendige Härte im Bereich der Laufbahnen kann dann durch ein nachfolgendes Randschichthärten erfolgen, beispielsweise durch ein nachträgliches Anreichern mit Kohlenstoff.
Beschreibung der Figur
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Lagerring 10 mit entlang der Laufbahn 1 1 eingebrachten Kanälen 12.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Laber mit erfindungsgemäßen Lagerringen 10. Entlang der Laufbahnen (1 1 ) sind verschiedene Kanäle (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) mit unterschiedlichen Qerschnittsformen erkennbar.

Claims

Patentansprüche
1 . Lagerring (10) mit einem oder mehreren nahe einer Laufbahn (1 1 ) integrierten innenliegenden Kanälen (12a, 12b, 12c, 12d, 12e), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kanäle (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) eine von einer Kreisform abweichende Querschnittsform aufweist.
2. Lagerring (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Querschnittsform mindestens einer der Kanäle (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) entlang seines Verlaufs ändert.
3. Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings (10) umfassend folgende Schritte:
Bereitstellen eines Pulvers eines niedrigkohlenstoffhaltigen Stahles
Ausbildung eines Lagerrings (10) mit innenliegenden Kanälen (12) nahe einer Laufbahn (1 1 ) des Lagerrings (10) mittels eines generativen Fertigungsverfahren.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als generatives Fertigungsverfahren Laserschmelzen angewendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als generatives Fertigungsverfahren Lasersintern angewendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, ferner umfassend ein nachfolgendes Randschichthärten des Lagerrings.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Randschichthärten ein Anreichern mit Kohlenstoff umfasst.
8. Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung des Lagerrings (10) ein Ausbilden von Kanälen (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) mit einer Querschnittform abweichend von einer Kreisform umfasst.
9. Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung des Lagerrings (10) ein Ausbilden von Kanälen (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) mit einer Querschnittform umfasst die sich entlang dessen Verlaufs ändert.
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