DE4111542C2 - Mehrgleitflächenlager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Mehrgleitflächenlager nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Mehrgleitflächenlager sind in der Technik allgemein bekannt und weichen in der Regel von der kreisförmigen Kontur wie beim einschaligen Lager derart ab, dass zwei oder mehrere Schmierkeile am Umfang der Lagerschale entstehen.

Sollen aus Gründen des Verschleißes oder der Korrosion für die Lager besonders harte oder korrosionsbeständige Werk­ stoffe - beispielsweise Keramik oder Glas - gewählt wer­ den, bereiten diese bei der mechanischen Herstellung unter Einhaltung guter Oberflächenqualitäten (wegen der Laufei­ genschaften) erhebliche Schwierigkeiten.

Bei einer elastischen/plastischen Verformung der Lager­ schale etwa durch außen angreifende Lasten zur Bildung der Schmierkeile entsteht u. a. der erhebliche Nachteil, dass im äußeren Rand der Schale Zugkräfte auftreten, die bei spröden Werkstoffen zu Mikroanrissen und damit zum Bruch führen. Auch sind solche Konstruktionen äußerst empfindlich gegen Stoßbeanspruchung. Ein weiterer Mangel ist, dass eine Art Verbeulen der Lagerschale eintritt, was der idealen Schmierkeilform abträglich ist.

Durch die im Juli 1930 ausgegebene DE 5 02 845 C ist ein Querlager bekannt geworden, dessen Gehäuse eine die Lauf­ fläche für eine Welle enthaltende geschlossene Büchse trägt. Um im Lager während der Wellendrehung keilige Schmiermittelschichten zu schaffen, wird die Büchse zur Re­ gelung des Spielraums zwischen der Welle und der Büchse an mindestens drei Stellen mit Hilfe nachstellbarer Glieder gegenüber dem Gehäuse verspannt. Zwischen Büchse und Ge­ häuse sind an denjenigen Stellen, an denen die Übertragung der Verspannungskräfte an das Gehäuse stattfindet, einem Druckausgleich dienende und zweckmäßig in fester Verbindung mit der Büchse stehende Zwischenkörper vorgesehen.

Eine Weiterentwicklung des Gegenstandes der DE 5 02 845 C ist dem Zusatzpatent DE 5 49 774 C aus dem Jahre 1932 an­ hand eines Querlagers mit zwei getrennt voneinander ange­ ordneten Lagerbüchsen zu entnehmen, von denen jede mittels einer ringförmigen Einrichtung gegenüber dem Gehäuse Ver­ spannt zu werden vermag, um eine zentrale Lagerung der Welle und eine gleichmäßige Verspannung in beiden Lager­ büchsen mit der Genauigkeit zu erhalten, die erforderlich ist, um an den engsten Stellen die Dicke der keiligen Schmiermittelschichten auf das kleinstmögliche Maß verrin­ gern zu können. Dazu wird mindestens eine der beiden Lager­ büchsen zusammen mit ihrer Spanneinrichtung in einem Zwi­ schenträger angeordnet, der in seiner Lage gegenüber dem festen Gehäuse justiert werden kann. Solange der Zwischen­ träger mit dem Gehäuse noch nicht fest verbunden ist, kön­ nen beide Lagerbüchsen für sich gleichmäßig bis zum Fest­ klemmen auf der Welle verspannt werden, ohne dass ein Zwang auf die Welle ausgeübt wird; die Achslage der Welle stimmt so mit der Achslage der beiden Lagerbüchsen genau überein. Für das Verspannen der Lagerbüchsen gegenüber dem Gehäuse werden nachstellbare, keilartig ausgebildete dünne Leisten vorgeschlagen, die in der Achsrichtung der Welle ver­ schieblich angeordnet sowie mittels eines Gewinderinges axial verschieblich sind.

Die DE 28 21 595 A1 offenbart ein hochfestes Keramikver­ bundrohr aus einem keramischen Innenrohr und wenigstens ei­ nem auf dieses aufgeschrumpften Außenrohr aus einem Metall- oder Keramikwerkstoff, zwischen denen bevorzugt eine Wär­ meisolationsschicht liegt. Der Keramikstoff kann u. a. aus Al₂O₃, und das Außenrohr aus Stahl bestehen. Damit sollen vor allem am Keramikrohr mechanische Belastungen kompen­ siert werden, die im Lauf einer Feuerwaffe, z. B. eines Ge­ schützrohres, oder bei einem hochbeanspruchten Lager auf­ treten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Mehr­ gleitflächenlager zu schaffen, das ohne Erzeugung der ge­ fürchteten Mikroanrisse elastisch/plastisch verformt werden kann sowie auf einfache konstruktive Weise das Erzeugen der erwähnten Schmierkeile ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre nach dem unabhän­ gigen Patentanspruch; die eigentliche Lagerschale ist aus sprödem Werkstoff geformt und von der Stützhülse aus zähem Werkstoff, vorzugsweise aus Metall, eingespannt; an deren Kontur bzw. deren Umfang greifen mehrere Druckkräfte kon­ zentrisch derart an, dass mehrere schmierkeilförmige Gleit­ flächen am inneren Umfang der - bevorzugt aus Aluminiumoxid gefer­ tigten - Lagerschale entstehen. Zudem ist eine äußere Kreiskontur des Querschnittes der Stützhülse durch gleichmäßig über deren Umfang verteilte sekantenartige Schwächungen unterbrochen und durch diese die Dicke der Stützhülse vermindert; diese sekantenartigen Schwächungen werden erfindungsgemäß von geraden Sekanten oder von Kurven, die konkave oder konvexe Einformungen bestimmen, gebildet. Als Ausgangszustand ist ein hohes Druckpotential in der inneren Lagerschale vorhanden.

Wenn nun die so entstandene Verbundlagerschale an zwei oder mehreren Stellen am Umfang Druckkräften ausgesetzt wird, dann ergeben sich durch die elastisch/plastische Verformung schmierkeilförmige Gleitflächen am inneren Umfang, ohne dass es zu Zugspannungen im äußeren Rand der Schale kommt und zwar dadurch, dass die Spannungsveränderung immer im Druckbereich bleibt. Damit ist die Gefahr des Bruches be­ seitigt.

Weitere Merkmale sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Wird die äußere Stützhülse an den Druckstellen sehr stabil ausgeführt, zwischen den Druckstellen jedoch geschwächt, so kann der Schmierkeil so beeinflusst werden, dass eine na­ hezu ideale Form entsteht.

Die Anwendung der Erfindung ist vor allem im Weltraum von großer Bedeutung, da hier in Bezug auf Lagerungen andere Verhältnisse gelten als im erdnahen Raum. In letzterem wer­ den im allgemeinen infolge der Gravitation Gewichtskräfte erzeugt, die eine eindeutige Richtung aufweisen und somit in der Lagerung zu einem stabilen Gleichgewichtszustand führen. Im Weltraum hingegen herrscht im technischen Sinne eine Null-Gravitation, das Lager wird also nicht belastet. Dies führt aber dazu, dass bei üblichen einschaligen Lagern mit nur einem Schmierkeil Taumelbewegungen des Läufers auf­ treten, die zu unkontrollierten Beschleunigungskräften füh­ ren. Diese sind aber äußerst unerwünscht, da in Raumstatio­ nen beispielsweise Einkristalle gezüchtet werden, die da­ durch in ihrem Wachstum behindert werden. So besteht bei fast allen Raumfahrtkomponenten die Forderung nach soge­ nannter "mini-gravity", d. h. die Komponente darf nur mini­ male vorgegebene Beschleunigungskräfte abgeben.

Weitere Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in

Fig. 1 den Querschnitt durch ein Keramikteil eines La­ gers;

Fig. 2 ein Diagramm zu Spannungszuständen zwischen zwei Radien der Fig. 1 und deren Durchmesserabschnitt A-A;

Fig. 3, 5, 7 weitere Querschnitte durch das Lager;

Fig. 4, 6 der Fig. 2 entsprechende Diagramme zu den Fig. 3 und 5;

Fig. 8 ein Schaubild zu Meßergebnissen an dem dreischa­ ligen Lager der Fig. 7;

Fig. 9 einen Schnitt durch ein eingebautes Lager.

Bei einer in Fig. 1 wiedergegebenen Lagerschale 10 aus einem spröden Werkstoff, im ausgeführten Ausführungsbeispiel Aluminiumoxid, ist in unbelastetem Zustand die Spannung zwischen dem inneren Radius r_i und dem äußeren Radius r_a gleich Null. Dies verdeutlicht das nebenstehende Diagramm der Fig. 2 an einer beliebigen Stelle A-A der Fig. 1.

In Fig. 3 ist die Keramiklagerschale 10 einer Dicke q mit Preßsitz in eine metallische Stützhülse 12 eingespannt. Die äußere Kreiskontur K des Hülsenquerschnitts ist durch drei Sekanten S unterbrochen, die im dargestellten Ausführungsbeispiel jeweils einen Mittelpunktswinkel w von etwa 55° bis 60° bestimmen. Der Hülsenquerschnitt ist an diesen Stellen also - bis zum Sekantenmittelpunkt M zunehmend - geschwächt. Durch diese definierte Schwächung der Wanddicke e um ein maximales Maß n ist im Schnitt B-B ein Spannungsverlauf vorhanden, der zum äußeren Radius r_a hin abfällt (Fig. 4b); im geschwächten Teil der Stützhülse 12 - also in jenem Schnitt B-B - kann die Keramiklagerschale 10 nach außen ausweichen und wird somit einer Biegebeanspruchung unterworfen. Das Spannungsniveau bleibt jedoch im Druckbereich.

Bei nicht dargestellten Ausführungsbeispielen können statt der geraden Sekanten S auch Kurven vorgesehen sein, die konkave oder konvexe Einformungen bestimmen.

Wird nunmehr das jetzt zweischalige Lager 14 aus den beiden Teilen 10, 12 in eine Fassung 16 - ebenfalls durch einen Presssitz - einge­ spannt, so werden die Druckkräfte an den Berührungsstellen weiterge­ hend verstärkt. Die Keramiklagerschale 10 wird an der Stelle B-B der Fig. 5 vermehrt nach außen ausweichen, so dass die Biegebeanspruchung weiter steigt. Dadurch wird der Spannungsverlauf steiler, bleibt aber im Druckspannungsbereich, wie aus Fig. 6 hervorgeht.

Es tritt folglich eine Verformung der Keramiklagerschale 10 ein, wie es Fig. 7 im vergrößerten Maßstab zeigt. Durch Ausweichen der Lagerschalen 12 in die vorhandenen Hohlräume 18 werden drei Schmierkeile 17 gebildet, welche die Aufgabe übernehmen, zur eindeutigen Abstützung einer im Lager 14 angeordneten Welle 20, drei hydraulische Kräfte zu erzeugen. Die Spannung in der Keramiklagerschale 10 bleibt im Druckbereich, so dass die Gefahr von Mikroanrissen nicht auftreten kann und die Keramiklagerschale 10 so vor einem Bruch geschützt ist.

Die Meßergebnisse an einem ausgeführten dreischaligen Lager 14 sind in Fig. 8 dargestellt. Der Unterschied zwischen dem kleinst- und größtmöglichen Kreis Ni und Na beträgt 9.5 µm. Bei einem mittleren Lager­ spiel von 36 µm entspricht das einer relativen Exzentrizität von etwa 0,5 für die jeweilige Gleitfläche.

Damit werden hydraulische Einspannkräfte je nach Drehzahl und Viskosi­ tät erzeugt, die eine gute Zentriermöglichkeit gewährleisten.

Die konstruktive Ausführung der Fig. 9 zeigt eine Welle 20 mit aufge­ preßter Wellenschale 22 in einem Lager 14 aus Keramiklagerschale 10 und Stützhülse 12. Letztere sitzt in einem Lagerträger 24, der die Aufgabe der Fassung 16 übernimmt.

Die Welle 20 enthält eine in einen Stirnraum 26 mündende axiale Sack­ bohrung 28, von der Radialbohrungen 30 vor der anderen Lagerstirn 32 ausgehen. Diese dienen zur Rückführung des Schmierstromes.

Claims (10)

1. Mehrgleitflächenlager mit mehreren um eine Welle (20) konzentrisch angeordneten Gleitflächen, bei dem eine Lagerschale (10) für die darin drehbar gelagerte Welle (20) von einer Stützhülse (12) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerschale (10) aus sprödem Werkstoff be­ steht sowie von der Stützhülse (12) aus zähem Werk­ stoff eingespannt ist, an deren Kontur bzw. deren Um­ fang mehrere Druckkräfte konzentrisch so angreifen, dass mehrere schmierkeilförmige Gleitflächen am inneren Umfang der Lagerschale (10) entstehen, wobei eine äußere Kreiskontur (K) des Querschnittes der Stütz­ hülse (12) durch gleichmäßig über deren Umfang ver­ teile sekantenartige Schwächungen unterbrochen und durch diese die Dicke (e) der Stützhülse (12) vermin­ dert ist.

2. Mehrgleitflächenlager nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die büchsenartige Lagerschale (10) aus Aluminiumoxid als Werkstoff besteht.

3. Mehrgleitflächenlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die sekantenartigen Schwächungen von geraden Sekanten (S) oder von Kurven, die konkave oder konvexe Einformungen bestimmen, gebildet sind.

4. Mehrgleitflächenlager nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Maß (n) maximaler Verminde­ rung der Dicke (e) der Stützhülse (12) mehr als deren Hälfte beträgt.

5. Mehrgleitflächenlager nach Anspruch 1, 3 oder 4, da­ durch gekennzeichnet, dass die Länge der Sekanten (S) jeweils einen Mittelpunktswinkel (w) von weniger als 90°, bevorzugt etwa 50°, bestimmt.

6. Mehrgleitflächenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittpunkte der Sekante (S) mit der Kreiskontur (K) die Lage von äuße­ ren Flächen der Stützhülse (12) bestimmen, die konkave oder konvexe Begrenzungsflächen für die Lagerschale (10) sind.

7. Mehrgleitflächenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützhülse (12) von einer bevorzugt aus Metall gefertigten Fassung (16) umgeben ist und mit dieser Hohlräume (18) begrenzt, welche anderseits von den Sekanten (S) bzw. je­ weils von einer der konkaven oder konvexen Begren­ zungsflächen bestimmt sind.

8. Mehrgleitflächenlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützhülse (12) von einem Lagerträger (24) umfangen ist, der mit ihr Hohlräume (18) begrenzt, deren Erstreckung im Quer­ schnitt durch die Sekanten (S) bzw. durch die konkaven bzw. konvexen Begrenzungsflächen bestimmt ist.

9. Mehrgleitflächenlager nach wenigstens einem der vor­ aufgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass seine beiden Stirnflächen (26, 32) miteinander durch Wellenbohrungen (28, 30) verbunden sind.

10. Mehrgleitflächenlager nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass von einem Wellenende eine axiale Sack­ bohrung (28) und von dieser zumindest eine Radialboh­ rung (30) der Welle (20) ausgeht, die der zweiten Stirnfläche (32) zugeordnet ist.