DE10045301A1 - Gleitlager für eine Welle - Google Patents

Abstract

Bei einem Gleitlager für eine Welle mit diese umgebender, in Richtung der Längsachse eingespannter Lagerhülse - insbesondere einem Gleitlager für eine Kreiselpumpe - ist beidends der Lagerhülse in dieser jeweils zumindest ein die Welle umfangendes Ringelement aus einem begrenzt elastischen Werkstoff angeordnet sowie zwischen den abdichtenden Ringelementen in einem von Lagerhülse und Welle begrenzten Ringspalt ein viskoses Medium. Jenes Ringelement ist als Zentriermittel ausgebildet und umfasst bevorzugt zumindest zwei Teile oder Abschnitte, deren eines/einer als Zentierhilfe und deren anderes/anderer als Dichtelement ausgebildet ist. Vorteilhafterweise soll das Ringelement ein in einem Einstich der Welle angeordneter O-Ring sein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gleitlager für eine Welle mit diese umgebender, in Richtung der Längsachse eingespannter Lagerhülse, insbesondere ein Gleitlager für eine Kreisel­ pumpe zum Fördern von mineralischen und synthetischen Wär­ meträgerölen sowie Heißwasser.

Um die Standzeit für Gleitlager zu erhöhen, werden zuneh­ mend verschleißarme Lagerwerkstoffe aus Keramik - wie z. B. Siliziumkarbid, Wolframkarbid, Aluminiumoxid oder Sili­ ziumnitrit - eingesetzt, insbesondere dann, wenn es sich beim Schmiermedium um eine niederviskose Flüssigkeit han­ delt oder abrasive Bestandteile im Schmiermedium enthalten sind.

Da diese Lagerwerkstoffe in der Regel empfindlich gegenüber Zugspannungen sind, werden die Lagerhülsen von Radialgleit­ lagern meist durch Spannelemente auf der Welle aufgenommen, deren Spannkräfte hauptsächlich in Achsrichtung wirken.

In den meisten Fällen werden solche Lager bei wechselnden Temperaturen betrieben. Da Wellen- und Lagerhülsenwerkstoff meist sehr unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, kann die Lagerhülse deshalb nicht direkt auf der Welle zentriert werden. So würde es beispielsweise bei der Werkstoffkombination einer Hülse aus Siliziumkarbid an ei­ ner Welle aus Stahl bei sinkender Temperatur in Abweichung zur Fertigungs- und Montagetemperatur zu mangelhafter Zen­ trierung durch zu großes Spiel und bei steigender Tempera­ tur zur Zerstörung der Lagerhülse durch hohen Innendruck kommen.

In der Praxis wurde versucht, diesem Problem durch eine axiale Verspannung der Hülse mit Hilfe konischer Aufnahmen an beiden Hülsenenden entgegenzuwirken, dass ein Teil der axialen Spannkraft in eine radiale Zentrierkraft umgewan­ delt wird.

Durch die EP 0 280 030 ist ein hülsenförmig ausgebildetes Adapterteil zum Herstellen einer spielfreien und zentrier­ ten Aufnahme von Maschinenelementen, die über weite Tempe­ raturbereiche unterschiedliche Wärmedehnungen aufweisen, bekannt geworden, das am Hülsenumfang angeordnete zungenar­ tige Bereiche anbietet sowie abgeflachte Bereiche, die sich längs der Innen- und/oder der Außenmantelfläche erstrecken und zumindest Teile jener zungenartigen Bereiche miterfas­ sen. Die abgeflachten Bereiche stellen Ebenen dar, die von Mantellinien und Sekanten begrenzt werden und überdecken die freien Enden der zungenartigen Bereiche. Dieses Adap­ terteil soll als Lagerbundhülse zwischen einer Welle aus z. B. Metall und einer Lagerbüchse aus z. B. Keramik einge­ setzt werden oder als Lagerbundhülse in Kühlmittelumwälzun­ gen.

Mit der EP 0 264 661 wird vorgeschlagen, eine in mehrere Segmente unterteilte sowie durch Halteringe auf der Welle gehaltene Wellenhülse mittels eines Zentriermittels aus ei­ ner Formgedächtnislegierung zu zentrieren; an der entweder längsgeschlitzten oder unter Bildung zweier oder mehrerer Spalte in Längsrichtung geteilten Wellenhülse sind sowohl zwischen deren Enden und den Halteringen als auch in dem bzw. den Spalten in Längsrichtung Wärmedehnungsausgleichselemente aus Memory-Metall angeord­ net, die ein Lockern der Wellenhülse bei ansteigender Tem­ peratur vermeiden.

In Kenntnis dieses Standes der Technik hat sich der Erfin­ der die Aufgabe gestellt, eine Aufnahme für eine Gleitla­ gerhülse zu entwickeln, die mit einfachen, kostengünstigen Normteilen realisiert werden kann und auch bei hohen Ra­ dialkräften ein ausreichendes Zentrieren auf der Welle ge­ währleistet. Zudem sollen Relativbewegungen zwischen Lager­ hülse und Welle gedämpft werden, um eine hohe Laufruhe des Lagers zu gewährleisten und die Sicherheit gegen Schwin­ gungsbeanspruchung zu erhöhen.

Zur Lösung dieser Aufgabe führt die Lehre des unabhängigen Anspruches; die Unteransprüche geben günstige Weiterbildun­ gen an. Zudem fallen in den Rahmen der Erifndung alle Kom­ binationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale.

Erfindungsgemäß wird beidends der Lagerhülse in dieser je­ weils zumindest ein die Welle umfangendes Ringelement aus einem begrenzt elastischen Werkstoff angeordnet sowie zwi­ schen den abdichtenden Ringelementen in einem von Lager­ hülse und Welle begrenzten Ringspalt ein viskoses Medium angeordnet. Das Paar von Ringelementen übernimmt bei der Montage und im Anfahrzustand die Funktion einer Zentrier­ hilfe, die dann auf das viskose Medium übergeht.

In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Ringelement zumindest zwei Teile oder Abschnitte, deren eines/einer als Zentrierhilfe und deren anderes/anderer als Dichtelement ausgebildet ist, d. h. die Funktionen sind hier aufgeteilt.

Im Rahmen der Erfindung liegt eine Welle, an der das Ringelement ein in einem Einstich angeordneter O-Ring ist. Dazu hat es sich als günstig erwiesen, in Abstand zu einem der Einstiche in der Welle eine Ringnut für einen Siche­ rungsring vorzusehen, zwischen dem und der benachbarten Stirnfläche der Lagerbüchsen - der besseren Lagerung hal­ ber - wenigstens eine Stützscheibe und/oder eine elasti­ sche Scheibe angeordnet sind/ist. Hier soll der Lagerbüchse andernends wenigstens eine Schraubmutter in einem selbsthemmenden Gewinde der Welle zugeordnet sein, wobei die Gewindedrehrichtung der Schraubmutter bevorzugt der Wellendrehrichtung entgegengesetzt ist.

Um bei Ausfall eines Ringelementes einen Ersatz anbieten zu können, soll dem einends der Lagerhülse angeordneten Ringelement erfindungsgemäß ein zweites Ringelement benach­ bart zugeordnet werden.

Die Trennung der beiden oben bezeichneten Funktionen des Zentrierens und Abdichtens wird besonders deutlich, wenn beidends der Lagerhülse in dieser jeweils ein Ringelement aus einem begrenzt elastischen Werkstoff als Dichtelement und zwischen den beiden Dichtelementen zumindest ein Ringelement als Zentriermittel angeordnet werden.

Was das viskose Medium anlangt, so kann dies erfindungsge­ mäß ein Schmierfett sein, das gegebenenfalls mit Luft oder einem anderen Gas gemischt ist.

Dank der vorstehenden Maßgaben entsteht ein Gleitlager, das in bestechender Weise die vorgegebene Aufgabe zu lösen ver­ mag.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung; diese zeigt in ihren beiden Figuren jeweils einen Längsschnitt durch ein Gleitlager an der Welle 10 einer nicht darge­ stellten Pumpe.

Die Welle 10 eines Durchmessers d ist von einer Lagerhülse 12 des Innendurchmessers e umfangen; beide Durchmesser d, e sind so gewählt, dass die Weite f des zwischen ihnen gebil­ deten Ringspaltes 14 minimal ist und bei maximaler Tempera­ tur sowie maximaler Verformung der Anordnung die Welle 10 in der Lagerhülse 12 berührungsfrei angeordnet werden kann.

Die Lagerhülse 12 der axialen Länge a wird mittels einer nicht dargestellten Spannvorrichtung, welche Spannkräfte F mit im wesentlichen parallel zur Längsachse A verlaufender axialer Kraftrichtung hervorruft, kraftschlüssig auf der Welle 10 fixiert; die Lagerhülse 12 ist dabei gegenüber der Welle 10 radial - jedoch nur sehr geringfügig in Achs- und Umfangsrichtung - beweglich.

In einem Abstand b zu jeder der beiden Stirnflächen 16 der Lagerhülse 12 sitzt jeweils ein - auf der Welle 10 oder der Lagerhülse 12 axial fixiertes - elastisch verformbares Ringelement 18 einer Breite h. Diese in axialem Abstand n zueinander angeordneten Ringelemente 18 sollen die Lager­ hülse 12 auf der Welle 10 durch bei ihrer elastischen Ver­ formung hervorgerufene Kräfte zentrieren; die Ringelemente 18 sind durch die Montage der Anordnung so stark radial elastisch vorgespannt, dass ihre Federkraft ausreicht, um die Lagerhülse 12 bei Stillstand der Pumpe und bei kleinen Drehzahlen in genügendem Maße zu zentrieren.

Zusätzlich haben die Ringelemente 18 auch die Funktion, den mit einem bei 20 angedeuteten viskosen Medium gefüllten Abschnitt des Ringspaltes 14 zwischen sich gegen die Umge­ bung abzudichten.

Die - wie gesagt: die Funktionen des Zentrierens und des Abdichtens übernehmenden - Ringelemente 18 können jeweils einstückig sein oder aus mehreren Teilen oder Abschnitten bestehen, deren jeder eine der beiden genannten Funktionen übernimmt.

Bei Betrieb der Pumpe entsteht durch die hydraulischen Kräfte eine zum Inertialsystem von Welle 10 und Lagerhülse 12 mit der Drehzahl der Welle 10 umlaufende Radialkraft R, deren Betrag mit zunehmender Drehzahl zunimmt. Die Radial­ kraft R bewirkt ein Verdrängen eines Teils des viskosen Me­ diums 20 im Ringspalt 14 von der Kraftangriffsseite jener Radialkraft R zu der dem Kraftangriff gegenüberliegenden Seite der Welle 10 und der Lagerhülse 12. Da die Radial­ kraft R umläuft, ist auch die Verdrängung des viskosen Me­ diums 20 umlaufend. Durch die Viskosität des im Ringspalt 14 zwischen den Ringelementen 18 befindlichen Mediums 20 entsteht eine der Radialkraft R entgegenwirkende Kraft auf die Lagerhülse 12, deren Betrag - wie der Betrag der Ra­ dialkraft R - mit zunehmender Drehzahl der Welle 10 durch Erhöhen der Verdrängergeschwindigkeit des Mediums 20 im Ringspalt 14 zunimmt. Dadurch wird im Betrieb der Pumpe weiterhin eine ausreichende Zentrierung der Lagerhülse 12 auf der Welle 10 bewirkt, obwohl die elastische Steifigkeit der Ringelemente 18 zu klein ist, um im Betrieb allein durch die Federkräfte der Ringelemente 18 eine genügende Zentrierung zu gewährleisten. Das Zentrieren von Welle 10 und Lagerhülse 12 durch die beschriebene Anordnung hat den besonderen Vorteil einer hohen Laufruhe der Lagerung durch die Dämpfung der Lagerbewegung.

Eine kostengünstige Ausgestaltung der Lageraufnahme mit Normteilen ist der Fig. 2 zu entnehmen.

Die Ringelemente 18 _a sind hier O-Ringe, die durch Einstiche 22 der Breite i auf der Welle 10 axial fixiert und dichtend sowie zentrierend zwischen dieser und der Lagerhülse 12 verspannt werden. Das viskose Medium 20 im Abschnitt der Längen des Ringspaltes 14 zwischen den O-Ringen 18 besteht aus einem Schmierfett oder einem Gemenge aus Schmierfett und Luft, wobei letztere auch durch ein anderes Gas ersetzt sein kann; dieses hilft hohe Überdrücke im Ringspalt 14 bei hohen Temperaturen zu vermeiden.

Die Spannvorrichtung zum Fixieren der Lagerhülse 12 in Axial- und in Umfangsrichtung auf der Welle 10 besteht aus einem Sicherungsring 24 in einer - in Abstand q zum be­ nachbarten Einstich 22 verlaufenden - Ringnut 26 der Welle 10, aus Stützscheiben 28 sowie elastischen Scheiben 30, zudem aus einer Mutter 32 auf einem bei 34 angedeuteten selbsthemmenden Gewinde der Welle 10. Beidseits der Lager­ hülse 12 ist jeweils ein Paket der Breite t aus einer der Stützscheiben 28 und der elastischen Schreiben 30 zu erken­ nen.

Die axiale Kraft zum Verspannen der Anordnung wird durch die Mutter 32 erzeugt. Zu deren Sicherung ist es vorteil­ haft, wenn die Drehrichtung des Gewindes 34 der Drehrich­ tung der Welle 10 entgegengesetzt ist. Dreht die Welle 10 wie in Fig. 2 dargestellt - von rechts gesehen im Uhrzei­ gersinn - hat eine Mutter 32 mit Linksgewinde erhöhte Si­ cherheit gegen ein unerwünschtes Lösen anzubieten.

In der Zeichnung nicht dargestellt ist eine Ausgestaltung, bei der zwischen den beiden die Abdichtung des Ringspaltes 14 bewirkenden endwärtigen Ringelementen 18, 18a beispiels­ weise in beidseits gleichem Abstand zu diesen zumindest ein Ringelement vorgesehen ist, welches die beschriebene Zen­ trierfunktion übernimmt.

Claims (10)

1. Gleitlager für eine Welle (10) mit diese umgebender, in Richtung der Längsachse (A) eingespannter Lager­ hülse (12), insbesondere Gleitlager für eine Kreisel­ pumpe, dadurch gekennzeichnet, dass beidends der Lagerhülse (12) in dieser jeweils zumindest ein die Welle (10) umfangendes Ringelement (18, 18 _a) aus einem begrenzt elastischen Werkstoff angeordnet sowie zwischen den abdichtenden Ringele­ menten in einem von Lagerhülse und Welle begrenzten Ringspalt (14) ein viskoses Medium (20) angeordnet ist.

2. Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ringelement (18) als Zentriermittel ausge­ bildet ist.

3. Gleitlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Ringelement (18) zumindest zwei Teile oder Abschnitte umfasst, deren eines/einer als Zentrierhilfe und deren anderes/anderer als Dichtele­ ment ausgebildet ist.

4. Gleitlager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Ringelement ein in einem Einstich (22) der Welle (10) angeordneter O-Ring (18a) ist.

5. Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in Abstand (q) zu einem der Ein­ stiche (22) in der Welle (10) eine Ringnut (26) für einen Sicherungsring (24) verläuft, zwischen dem und der benachbarten Stirnfläche (16) der Lagerbüchsen (12) wenigstens eine Stützscheibe (28) und/oder eine elastische Scheibe (30) angeordnet sind/ist.

6. Gleitlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerbüchse (12) andernends wenigstens eine Schraubmutter (32) in einem selbsthemmenden Gewinde (34) der Welle (10) zugeordnet ist.

7. Gleitlager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindedrehrichtung der Schraubmutter (32) der Wellendrehrichtung entgegengesetzt ist.

8. Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass dem einends der Lagerhülse (12) angeordneten Ringelement (18, 18 _a) ein zweites Ringelement benachbart zugeordnet ist.

9. Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass beidends der Lagerhülse (12) in dieser jeweils ein Ringelement (18, 18 _a) aus einem begrenzt elastischen Werkstoff als Dichtelement und zwischen den beiden Dichtelementen zumindest ein Ringelement als Zentriermittel angeordnet sind.

10. Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekenn­ zeichnet durch ein viskoses Medium (20) in Form eines Schmierfettes, das gegebenenfalls mit Luft oder einem anderen Gas gemischt ist.