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Dokumentenidentifikation DE69521023T2 21.03.2002
EP-Veröffentlichungsnummer 0723633
Titel ACHSLAGER
Anmelder Ingersoll-Rand Co., Woodcliff Lake, N.J., US
Erfinder CHEN, Wen-Jeng, Mayfield, US;
HAUGEN, L., Ronald, Mayfield, US
Vertreter WUESTHOFF & WUESTHOFF Patent- und Rechtsanwälte, 81541 München
DE-Aktenzeichen 69521023
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, SE
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 25.07.1995
EP-Aktenzeichen 959283391
WO-Anmeldetag 25.07.1995
PCT-Aktenzeichen US9509997
WO-Veröffentlichungsnummer 9605443
WO-Veröffentlichungsdatum 22.02.1996
EP-Offenlegungsdatum 31.07.1996
EP date of grant 23.05.2001
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.03.2002
IPC-Hauptklasse F16C 32/06
IPC-Nebenklasse F16C 33/10   

Beschreibung[de]

Diese Erfindung betrifft allgemein Lager und insbesondere eine Vorrichtung zur Lagerung einer sich drehenden Welle, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Typischerweise werden Wellenlager verwendet, um Radiallasten aufzunehmen und Vibrationen zu unterdrücken, welche durch Erregerkräfte verursacht werden, welche auf eine sich drehende Welle oder Achse wirken. Diese Wellenlager werden geschmiert, indem ein geeignetes Schmiermittel in das Wellenlager eingebracht wird, beispielsweise durch einen Schmiermittelzufuhreinlaß. Bei der Auslegung derartiger Wellenlager ist es bekannt, eine Ausnehmung an einer inneren Oberfläche des Wellenlagers herauszuarbeiten oder zu gießen, um einen Austritt für das Schmiermittel vom inneren Abschnitt des Wellenlagers während dessen Betriebs zu schaffen. Derartige Ausnehmungen umfassen typischerweise den Schmiermittelzufuhreinlaß, so daß der Schmiermittelzufuhreinlaß bislang im Bodenabschnitt einer jeden einzelnen Ausnehmung angeordnet war. Ein derartiges Wellenlager ist in der US-A-2 901 297 beschrieben.

Obgleich diese Arten von Wellenlagern mit unterschiedlichen Erfolgen betrieben worden sind, haben derartige Wellenlager hohe Lagertemperaturen, Lagerverharzung und Schmiermittelfilmabrisse gezeigt, wobei dies alles natürlich zu Lagerausfällen beiträgt.

Die EP-A-0 105 050 offenbart ein Lager eines Typs gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine vereinfachte Vorrichtung zur Lagerung einer sich drehenden Welle geschaffen, wobei die Vorrichtung zur Lagerung einer sich drehenden Welle gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 die Merkmale des zweiten Teils von Anspruch 1 aufweist.

Für ein besseres Verständnis der Erfindung und um zu zeigen, wie diese umgesetzt werden kann, wird nun exemplarisch Bezug auf die beigefügte Zeichnung genommen, in der:

Fig. 1 eine Ansicht einer üblichen Welle ist, welche drehbar von einem dreibogigen Wellenlager gelagert ist;

Fig. 2A eine Querschnitts-Endansicht auf das in Fig. 1 dargestellte dreibogige Wellenlager ist;

Fig. 2B eine Querschnitts-Seitenansicht auf das dreibogige Wellenlager ist, welches in Fig. 1 dargestellt ist;

Fig. 3 eine Schnittdarstellung durch das dreibogige Wellenlager von Fig. 1 entlang einer Wellen-Drehachse zur Veranschaulichung des Flusses von Schmiermittel durch das Wellenlager während einer Drehung der Welle ist;

Fig. 4A eine Querschnitts-Seitenansicht des erfindungsgemäßen dreibogigen Wellenlagers ist; und

Fig. 4B eine Querschnitts-Endansicht des dreibogigen Wellenlagers von Fig. 4A ist.

Bezugnehmend auf die Zeichnung, wo gleiche Bezugszeichen entsprechende Teile in den unterschiedlichen Ansichten bezeichnen, so zeigt Fig. 1 eine Lageranordnung 10, welche in Rotationsmaschinen verwendet wird, beispielsweise Zentrifugenkompressoren. Die Lageranordnung 10 weist, wie in Fig. 1 dargestellt, ein dreibogiges Wellenlagerteil 12 mit einer inneren Lageroberfläche 13 zur Lagerung eines drehbaren Schafts oder einer Welle 14 um eine Drehachse 15 auf. Obgleich eine dreibogige Lageranordnung hier dargestellt und beschrieben ist, ist beabsichtigt, daß die vorliegende Konstruktion mit jedem Typ von Wellenlager verwendet werden kann. Ein Lagergehäuse (nicht gezeigt) kann als separates oder einstückiges Teil der Lageranordnung 10 ausgelegt werden. Typischerweise ist das dreibogige Wellenlagerteil 12 mit einer Buchse (nicht gezeigt), beispielsweise einem Lagermetall ausgekleidet. Lager des vorstehenden Typs wurden bislang verwendet, um Radiallasten zu lagern und um die notwendigen dynamischen Eigenschaften bereitzustellen, um jegliche Vibrationen zu unterdrücken, welche durch verschiedene Erregerkräfte bewirkt werden, welche auf den Schaft oder die Welle 14 einwirken.

Wie in den Fig. 2A und 2B gezeigt, beinhaltet das dreibogige Wellenlager 12 eine Mehrzahl von Bögen, welche durch axiale Ausnehmungen 16 voneinander getrennt sind. Die axialen Ausnehmungen 16 sind in der inneren Lageroberfläche des Wellenlagerteils 12 ausgebildet. Die axialen Ausnehmungen 16 können sich über die volle Länge des Lagers erstrecken oder die Länge der Ausnehmungen 16 kann geringer als die volle Länge des Wellenlagerteils 12 sein. Ausströmausnehmungen 18, welche im Vergleich zur Breite der Ausnehmungen 16 verringerte Breite haben, sind an den Enden der axialen Ausnehmungen 16 vorgesehen. Bislang wurden die Abmessungen der Ausnehmungen 16 und der Ausströmausnehmungen 18 abgewandelt, um den letztendlichen Fluß des Schmiermittels zu ändern, wodurch die Lagerbetriebstemperatur laicht geändert wurde.

Ein Schmiermittel, beispielsweise ein geeignetes Öl, wird der Lageranordnung 10 durch eine Mehrzahl von Öffnungen, Ausnehmungen oder Anschlüssen 20 zugeführt, welche bislang innerhalb der axialen Ausnehmungen 16 angeordnet waren. Wie man durch Betrachten der Fig. 2A und 2B erkennen kann, wird, aufgrund der Position des Schmiermittelzufuhranschlusses innerhalb der axialen Ausnehmungen 16, das durch die Zufuhranschlüsse 20 zugeführte Schmiermittel dem Wellenlagerteil 12 an einer Stelle deutlich unterhalb der inneren Lageroberfläche 13 zugeführt. Typischerweise wurde das Schmiermittel der Lageranordnung 10 duch eine äußere Pumpe (nicht gezeigt) unter gemäßigtem Druck zugeführt oder mit Umgebungsdruck unter Verwendung geeigneter Schmiermittelübertragungsvorrichtungen, welche allgemein bekannt sind.

Fig. 3 ist eine Querschnittsdarstellung des dreibogigen Wellenlagers 10 gemäß des Standes der Technik nach den Fig. 1, 2A und 2B und zeigt den Fluß von Schmiermittel durch das Wellenlager während einer Drehung der Welle. Es sei vorausgesetzt, daß während einer Drehung des Schaftes 14 das Schmiermittel durch die Schmiermittelzufuhröffnungen 20 und in die axialen Ausnehmungen 16 gefördert wird. Das Schmiermittel wird dann von dem sich drehenden Schaft in Richtung der Schaftdrehung mitgenommen, wie durch den Pfeil 17 dargestellt. Aufgrund der Drehzahl und der Viskosität der verschiedenen Schmiermittel baut sich ein hydrodynamischer Druck zwischen der inneren Lageroberfläche 13 und der Welle 14 auf, so daß die innere Oberfläche 13 und die sich drehende Welle 14 durch eine sich drehende Schicht heißen Schmiermittels voneinander getrennt werden. Der hohe hydrodynamische Druck wird durch die axialen Ausnehmungen 16 unterbrochen. Hitze wird auch als Ergebnis einer Reibung aufgebaut, welche sich innerhalb der Lageranordnung 10 entwickelt. Wenn die Welle 14 mit ihrer Drehung fortfährt, treten ein Schmiermittelendfluß (θe) und Seitenfluß (θs) hoher Temperatur von einem vorherigen Bogen in eine axiale Ausnehmung 16 ein und mischen sich mit neu zugeführtem Schmiermittel (θi). Das gemischte Schmiermittel (θm) tritt dann in einen nächsten Bogen ein, wobei ein geringes Volumen an Schmiermittel an den offenen Enden einer axialen Ausnehmung (θg)austritt. Typischerweise wird die Mehrheit der sich drehenden Schicht an heißem Schmiermittel, welches die Welle 14 umgibt, zu dem nächsten Bogen übertragen. Es wurde herausgefunden, daß eine derartige Auslegung eines Wellenlagers ein Hochtemperaturschmiermittel innerhalb der Lagerstruktur 10 erzeugt, welche bewirkt, daß das Schmiermittel rasch oxidiert, wodurch die verwendungsfähige Schmiermittellebensdauer verkürzt wird. Es wurde auch herausgefunden, daß derart hohe Lagertemperaturen zu einer Lagerverharzung und schließlich zu einem vorzeitigen Lagerausfall beitragen.

Die vorhandene Lageranordnung 30 wird nachfolgend im Detail beschrieben und ist in den Fig. 4A und 4B dargestellt.

Wie in den Fig. 4A und 4B gezeigt, lagert ein Wellenlagerteil 12, beispielsweise ein mehrbogiges oder dreibogiges Wellenlagerteil einen Schaft oder eine Welle (nicht gezeigt), welche um eine Drehachse (nicht gezeigt) drehbar ist. Das Wellenlagerteil hat eine innere Oberfläche 13 und gegenüberliegende erste bzw. zweite Enden 32 und 34, welche eine bestimmte Lagerabmessung in Längenrichtung definieren. Das Wellenlagerteil 12 beinhaltet eine Vorrichtung zum Austretenlassen eines bestimmten Volumens an Schmiermittel von einem inneren Abschnitt des Lagers aus. Die Schmiermittelaustrittsvorrichtung umfaßt eine Ausnehmung 36, die in der inneren Oberfläche 13 des Wellenlagerteils 12 ausgebildet ist. Die Ausnehmung 36 hat einander gegenüberliegende offene Enden und erstreckt sich axial entlang der Länge des Lagers. Die Enden der Ausnehmung 36 können abgeschrägt sein, oder die Ausnehmung 36 kann sich ununterbrochen über die gesamte Länge des Wellenlagers 12 erstrecken, wie in Fig. 4A gezeigt.

Wenigstens eine Öffnung, ein Durchlaß oder Anschluß 20 ist durch das Wellenlagerteil 12 zur Zufuhr eines Schmiermittels, beispielsweise eines geeigneten Öls zur inneren Oberfläche 13 des Wellenlagerteils 12 vorgesehen. In der bevorzugten Ausführungsform ist der wenigstens eine Schmiermittelzufuhranschluß 20 im wesentlichen mittig entlang der Lagerlänge und nach der Ausnehmung 36 angeordnet, und zwar in Richtung der Schaftdrehung, welche in Fig. 4B mit dem Pfeil 40 dargestellt ist. Die wenigstens eine Schmiermittelzufuhröffnung 20 ist in der inneren Oberfläche des Lagerteils so ausgebildet, daß Schmiermittel direkt der inneren Oberfläche 13 des Lagerteils zugeführt wird.

Das Wellenlagerteil 12 umfaßt auch eine Vorrichtung zur Mischung eines bestimmten Volumens an Schmiermittel. Die Schmiermittelmischvorrichtung umfaßt eine Ausnehmung 38, welche in der inneren Oberfläche 13 des Wellenlagerteils 12 ausgebildet ist. Wie am besten unter Bezugnahme auf Fig. 4B zu sehen ist, ist die Ausnehmung 38 an einer Position nach der wenigstens einen Schmiermittelzufuhröffnung angeordnet, und zwar in Richtung der Wellendrehung, wie durch den Wellendrehungsbezugspfeil 40 dargestellt. Die Ausnehmung 38 hat einander gegenüberliegende, geschlossene Enden und erstreckt sich axial entlang der Länge des Wellenlagerteils 12.

Es sei festzuhalten, daß in der bevorzugten Ausführungsform jeder Bogen eines mehrbogigen Wellenlagers durch eine erste Ausnehmung 36, wenigstens eine Schmiermittelzufuhröffnung 20 und eine zweite Ausnehmung 38 abgetrennt ist.

Im Betrieb der Ausführungsform gemäß den Fig. 4A und 4B wird Schmiermittel durch die wenigstens eine Zufuhröffnung 20 direkt der inneren Oberfläche 13 zugeführt. Das zugeführte Schmiermittel hat eine wesentlich niedrigere Temperatur als die Temperatur der sich drehenden Schicht von heißem Schmiermittel innerhalb der Lageranordnung 30. Das Einbringen von kühlerem Schmiermittel direkt zur inneren Lageroberfläche 13 hat den Effekt, daß es dem eingebrachten Schmiermittel ermöglicht ist, in die heiße Schmiermittelschicht einzubrechen, welche die sich drehende Schaftoberfläche umgibt, wodurch der Übertrag von heißem Schmiermittel von einem Bogen zum nächsten verringert wird, wie oben beschrieben. Insbesondere wird während der Drehung des Schaftes oder der Welle die Mehrheit des heißen Schmiermittels von dem Wellenlagerteil 12 durch Wirkung der Ausnehmung 36, welche die erste Ausnehmung in Richtung der Wellendrehung ist, abgeführt. Nachfolgend bewirkt die dammartige Wirkung aufgrund des Einbringens von "kühlem" Schmiermittel zur inneren Oberfläche 13 des Wellenlagerteils 12 an einer Stelle unmittelbar nach der ersten Ausnehmung 36, jedoch vor der zweiten, das Schmiermittel mischenden Ausnehmung 38, daß heißes Schmiermittel aus dem Lager über die Ausnehmung 36 austritt. Heißes Schmiermittel, welches über die Schmiermittelzufuhröffnung hinausgetragen wurde, wird mit dem kühleren eingebrachten Schmiermittel innerhalb der zweiten Ausnehmung 38 gemischt. Aus dem Voranstehenden ergibt sich klar, daß die vorliegende Erfindung in der Lage ist, die Arbeitsschmiermitteltemperatur in der Lageranordnung 30 abzusenken, wodurch die Lagerleistung verbessert und die Lagerlebensdauer verlängert wird.


Anspruch[de]

1. Vorrichtung zur Lagerung einer sich drehenden Welle, die umfasst:

ein Lagerteil (12) zur drehbaren Lagerung einer Welle um eine Drehachse, wobei das Lagerteil (12) eine innere Lagerfläche (13) und einander gegenüberliegende erste und zweite Enden hat, welche eine Lagerteillängsabmessung bestimmen;

eine in der ersten Lagerfläche (13) des Lagerteils (12) ausgebildete erste Nut (36), wobei sich die erste Nut (36) axial über die Länge des Lagerteils erstreckt und einander gegenüberliegende offene Enden hat;

eine in der inneren Lagerfläche (13) des Lagerteils (12) ausgebildete zweite Nut (38), wobei sich die zweite Nut axial über die Länge des Lagerteils erstreckt und einander gegenüberliegende geschlossene Enden hat, und

wenigstens eine Öffnung (20) zur Zufuhr eines Schmiermittels in das Innere des Lagerteils, wobei die wenigstens eine Schmiermittelzufuhröffnung (24) etwa mittig der Lagerteillänge angeordnet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schmiermittelzufuhröffnung zwischen der ersten und der zweiten Nut (36, 38) angeordnet und in der inneren Lagerfläche des Lagerteils derart ausgebildet ist, dass Schmiermittel unmittelbar der inneren Lagerfläche des Lagerteils zugeführt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Lagerteil ein mehrbogiges Wellenlager ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Lagerteil ein dreibogiges Wellenlager ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die erste Nut (36) durchgängig ist und sich vom ersten Ende zum zweiten Ende des Lagerteils (12) erstreckt.







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