DE102008061912A1

DE102008061912A1 - Lagerkissen für ein segmentiertes, mediengeschmiertes Gleitlager

Info

Publication number: DE102008061912A1
Application number: DE102008061912A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Holstein; Norman Perner; Klaus Prof. Spiegel
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2008-12-15
Filing date: 2008-12-15
Publication date: 2010-06-17
Also published as: NZ591212A; KR20110100217A; CL2011001441A1; CA2741640A1; EP2310700A1; EP2310700B1; WO2010075951A8; US20110249924A1; WO2010075951A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Lagerkissen für ein segmentiertes, mediengeschmiertes Gleitlager mit - einem eine Auflagefläche umfassenden Grundkörper; - einem auf der Auflagefläche angeordneten, eine Gleitfläche bildenden Gleitbelag, der ein Polymermaterial umfasst; - dadurch gekennzeichnet, dass - die Materialstärke des Gleitbelags in Richtung der Flächennormalen der Gleitfläche am Rand der Gleitfläche im unbelasteten Zustand größer ist als an deren Flächenzentrum.

Description

Die Erfindung betrifft ein Lagerkissen für ein segmentiertes, mediengeschmiertes Gleitlager, insbesondere ein wassergeschmiertes, seewassertaugliches Gleitlager.
Gleitlager mit hinreichender Seewasserfestigkeit sind für Schiffsfahrzeuge, beispielsweise zur Ausbildung von Stevenrohrlagern oder zur Lagerung umlaufender Einheiten von Unterwasserkraftwerken, wie Gezeitenkraftwerken, notwendig. Dabei haben sich hydrodynamische Gleitlager mit Wasserschmierung als hinreichend standfest erwiesen. Diese sind bevorzugt so gestaltet, dass eine Vielzahl von Lagerkissen mit einem, ein Elastomer umfassenden Gleitbelag gegen eine Gegenlauffläche mit einer größeren Härte und einem höheren E-Modul geführt ist. Durch diese Weich-Hart-Paarung entsteht ein robustes, deformationsunempfindliches Lager, das bei der Verwendung von Umgebungswasser als Schmiermedium sedimentfest ist.
Insbesondere zur Ausbildung großbauender Lager der voranstehend genannten Art ist wenigstens eine der Lagergleitflächen segmentiert ausgebildet. Hierzu wird exemplarisch auf die DE 28 02 098 A1 verwiesen. Dabei werden Lagerkissen verwendet, die einen Grundkörper aufweisen, der den eigentlichen Gleitbelag trägt, welcher wiederum aus einem für die Anwendung geeigneten Gleitlagerwerkstoff besteht. Hierzu wird ein möglichst elastisches Material gewählt, um eine gute Anpassung an die Gegenlauffläche sicherzustellen. Dies führt zu der Schwierigkeit, dass nicht für alle Betriebsbedingungen ein definierter Lagerspaltabstand im Gleitlager aufrechterhalten werden kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Lagerkissen für ein segmentiertes, mediengeschmiertes Gleitlager anzugeben, das die voranstehend genannten Nachteile überwindet und unter allen Betriebsbedingungen eine verbesserte Verteilung der Schmierfilmdrücke auf der Gleitlagerfläche sicherstellt.
Zur Lösung der Aufgabe haben die Erfinder zunächst erkannt, dass für einen sich hydrodynamisch aufbauenden Schmierfilm und der damit verbundenen parabolischen Druckentwicklung für weiche beziehungsweise elastische Gleitbeläge eine konkave Einfederung im zentralen Bereich auftritt. Diese führt zu einer Lagerspalterweiterung und einem Einbruch der Druckverteilung im mittigen Bereich der Gleitfläche.
Dieser unerwünschten Wirkung wird erfindungsgemäß dadurch entgegengewirkt, dass die Materialstärke des Gleitbelags in Richtung der Flächennormalen der Gleitfläche an den beim Betrieb auftretenden Schmierfilmdruck angepasst wird. In den Bereichen hohen Drucks, die um das Flächenzentrum der Gleitfläche liegen, wird eine verringerte Materialstärke verwendet, während die Randbereiche eine hohe Materialstärke aufweisen. Dabei wird bevorzugt das Profil der Gleitfläche erhalten, das typischerweise jenem der Gegenlauffläche entspricht. Die Anpassung der Materialstärke des Gleitbelags erfolgt durch eine entsprechende Profilierung der Auflagefläche am Grundkörper, die der Rückseite des Gleitbelags gegenüberliegt. Denkbar ist, eine gestufte Kontur zu verwenden, im einfachsten Fall wird ein erhabener Sockel im Zentralbereich der Auflagefläche des Grundkörpers vorgesehen. Eine genauere Anpassung kann durch einen mehrfach gestuften oder konvexen Verlauf der Auflagefläche bewirkt werden.
In den Bereichen, in denen ein besonders hoher Schmierfilmdruck auftreten kann, ist es möglich, aufgrund der Stützwirkung durch den Grundkörper und der aufgrund der Ausdünnung des Gleitbelags verringerten Komprimierbarkeit desselben, ein beim Betrieb im Wesentlichen gleichbleibendes Profil der Gleitfläche zur Verfügung zu stellen. Dabei wird der Spaltabstand im Lager und als Folge die Schmierfilmdicke auf den Gleitflächen der Lagerkissen weitgehend konstant gehalten.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und Figurendarstellungen genauer erläutert. In diesen ist im Einzelnen Folgendes dargestellt:
1 zeigt einen räumlichen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Lagerkissen.
2 zeigt eine Querschnittsansicht des Lagerkissens aus 1.
3 zeigt eine alternative Gestaltung eines erfindungsgemäßen Lagerkissens im Querschnitt.
4 zeigt eine weitere Ausgestaltungsalternative des erfindungsgemäßen Lagerkissens als Querschnittsansicht.
1 zeigt einen räumlichen Schnitt für ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Lagerkissens 1. Für die dargestellte Ausgestaltung der Erfindung ist ein kreisförmiges Lagerkissen 1 mit einer ebenen Gleitfläche gewählt.
Im Rahmen der Erfindung sind von der Kreiskontur abweichende Lagerkissen 1, beispielsweise mit einer rechteckigen, elliptischen oder dreieckförmigen Gestaltungen denkbar. Des Weiteren kann das Profil der Gleitfläche 13 von der dargestellten, im unbelasteten Zustand ebenen Ausführung abweichen. Dabei ist es möglich, dass für eine ebenfalls ebene Gegenlauffläche das Lagerkissen 1 einen an der Gleitfläche 13 konvex gewölbten Verlauf aufweist und folglich ballig ausgebildet ist. Ferner kann der Verlauf der Gleitfläche 13 an eine nicht ebene Kontur an einer Gegenlauffläche angepasst sein. Dies wird insbesondere im Fall eines Radialgleitlagers zur Führung einer Maschinenwelle oder dergleichen der Fall sein.
Erfindungsgemäß weist der Gleitbelag 3 eine örtlich variierende Materialstärke in Richtung der Flächennormalen der Gleitfläche 13 auf. Dies wird für die vorliegende Ausgestaltung dadurch bewirkt, dass das Oberflächenprofil der Auflagefläche 10 des Grundkörpers 2, auf dem der Gleitbelag 3 angeordnet ist, nicht eben ausgebildet ist, sondern zum Flächenzentrum 12 hin, das für die vorliegende Ausgestaltung mit dem Durchstoßpunkt der Zentralachse 14 zusammenfällt, einen angehobenen Bereich in Form eines Sockels 6 aufweist.
Für die dargestellte Ausgestaltung weist dieser Sockel 6 einen Durchmesser auf, der 50%–70% und besonders bevorzugt etwa 60% des Durchmessers des Grundkörpers 2 entspricht. Für eine nicht kreisförmige Ausgestaltung des Grundkörpers 2 (nicht dargestellt), ist die Erstreckung des Sockels 6, der für diesen Fall ebenfalls nicht kreisförmig gewählt sein wird, entsprechend relativ zu den Querabmessungen des Grundkörpers 2 anzupassen.
Durch das Profil der Auflagefläche 10 des Grundkörpers 2 entsteht in einem Zentralbereich 7 um das Flächenzentrum 12 ein Abschnitt des Gleitbelags 3 mit verringerter Materialstärke. Für das vorliegende Ausgestaltungsbeispiel ist die Materialstärke des Gleitbelags 3 im Bereich des Sockels 6 so gewählt, dass diese 50% der Materialstärke des Gleitbelags 3 außerhalb des Bereichs des Sockels 6, der sich zum Rand 11 des Grundkörpers 2 hin erstreckt, entspricht. Dies ist aus der Querschnittansicht von 2 ersichtlich, wobei die Quererstreckung des Sockels 6 mit d bezeichnet ist und vorliegend 60% des Durchmessers B des gesamten Grundkörpers 2 einnimmt.
Eine alternative Ausgestaltung ist in 3 skizziert. Dabei wird anstatt eines Sockels 6 wenigstens ein Teil, vorliegend die gesamte Auflagefläche 10, konvex geformt. Es entsteht wiederum ein bezüglich der Materialstärke ausgedünnter Gleitbelag im Bereich um die Zentralachse 14.
Eine weitere Ausgestaltungsalternative ist in 4 dargestellt. Dabei ist auf der Oberseite des Grundkörpers 2, die die Auflagefläche 10 bildet, eine Eindrehung 9 vorgesehen. Durch diese Maßnahme entsteht ein Rand 8, der den Gleitbelag 3 seitlich abstützt sowie der in Zusammenhang mit 2 erläuterte Sockel 6, der zu einer verringerten Materialstärke des Gleitbelags 3 im zentralen Bereich des Lagerkissens 1 führt.
Der Gleitbelag 3 umfasst ein Polymermaterial und bevorzugt ein Elastomer. Mögliche Werkstoffe für den Gleitbelag mit hinreichender Trockenlauffestigkeit sind Buna^® und Orkot^®. Dabei bildet der Gleitbelag mit der im Einzelnen nicht dargestellten Gegenlauffläche eine Weich-Hart-Paarung, wobei für eine bevorzugte Gestaltung das E-Modul des Gleitbelags 3 etwa 1% des E-Moduls für die Gegenlaufflächen ist. Dabei können die Gegenlaufflächen beispielsweise Stahlteile sein. Eine solche Materialpaarung erlaubt die Ausbildung eines wassergeschmierten Gleitlagers, das die Verwendung von Seewasser als Schmierstoff verträgt. Entsprechend kann das erfindungsgemäße Lagerkissen für ein mediengeschmiertes Gleitlager verwendet werden, das zur Lagerung der umlaufenden Teile eines Unterwasserkraftwerks oder zur Ausbildung eines Stevenrohrlagers der Propellerwelle eines Wasserfahrzeugs geeignet ist.
Ausgehend von der voranstehend erläuterten Weich-Hart-Paarung des Lagers verhindert die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Lagerkissens eine konkave Einfederung im Zentralbereich der Gleitfläche 13 während des Betriebs aufgrund des Schmiermitteldrucks. Entsprechend tritt keine unerwünschte Lagerspalterweiterung in diesem Bereich auf. Der Grundkörper 2, welcher gegenüber dem Gleitbelag 3 ein höheres E-Modul aufweist und beispielsweise aus Stahl, Bronze, Glas oder Holz oder einem Kompositmaterial aufgebaut ist, verhindert die genannte Einfederung im zentralen Bereich. In dem weniger belasteten Randbereich des Gleitbelags 3 kann eine höhere Materialstärke gewählt werden, um eine möglichst elastische Laufschicht zu erhalten, die sich gut an die Kontur einer im Betrieb möglicherweise einer Deformation unterliegenden Gegenlauffläche anpasst. Entsprechend kann die Materialstärke des Schmiermittelfilms möglichst konstant gehalten werden, sodass ein großes Gleitlager mit hoher Tragfähigkeit entsteht.
Der Gleitbelag wird bevorzugt durch Kleben, Anvulkanisieren oder dergleichen stoffschlüssig mit der Auflagefläche 10 des Grundkörpers 2 verbunden. Zusätzlich oder alternativ kann der Gleitbelag 3 am Grundkörper an einzelnen Aufhängepunkten, beispielsweise mittels einer Schraubverbindung, befestigt sein oder die Auflagefläche 10 des Grundkörpers 2 weist ein Muster von Aufnahmen auf, in die der Gleitbelag 3 zur sicheren Befestigung eingreift. Zusätzlich kann der in 4 dargestellte Rand 8 als seitliche Begrenzung des Gleitbelags 3 vorgesehen sein.
Unterhalb des Grundkörpers 2 des Lagerkissens 1 befindet sich für eine vorteilhafte Ausgestaltung eine elastische Abstützung 4. Diese kann bevorzugt flächig ausgebildet sein und besteht für eine einfache Konstruktion aus dem Material des Gleitbelags, das in einer solchermaßen hinreichenden Stärke zwischen dem Grundkörper 2 und dem Auflager 5 vorgesehen ist, dass eine gewisse Verkippung des Lagerkissens 1 gegen das Auflager 5 möglich ist. Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung für die elastische Abstützung 4 ist in 4 dargestellt. Dabei wird die Unterseite des Grundkörpers 2 mit einer unteren Eindrehung 9.2 versehen, sodass die Materialstärke der flächig ausgebildeten elastischen Abstützung 4 in den Randbereichen des Grundkörpers 2 verglichen mit dem zentralen Bereich größer ist.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung im Rahmen der nachfolgenden Schutzansprüche sind denkbar. Dabei ist es insbesondere möglich, die Gleitfläche 13 durchbrochen auszugestalten und mit Nuten zur Verbesserung der Schmiermittelführung oder einer rückseitigen Schmiermittelzufuhr zu versehen.

1: Lagerkissen
2: Grundkörper
3: Gleitbelag
4: elastische Abstützung
5: Auflager
6: Sockel
7: Zentralbereich
8: Rand
9: Eindrehung
9.2: untere Eindrehung
10: Auflagefläche
11: Rand
12: Flächenzentrum
13: Gleitfläche
14: Zentralachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 2802098 A1 [0003]

Claims

Lagerkissen (1) für ein segmentiertes, mediengeschmiertes Gleitlager mit 1.1 einem eine Auflagefläche (10) umfassenden Grundkörper (2); 1.2 einem auf der Auflagefläche (10) angeordneten, eine Gleitfläche (13) bildenden Gleitbelag (3), der ein Polymermaterial umfasst; dadurch gekennzeichnet, dass 1.3 die Materialstärke des Gleitbelags (3) in Richtung der Flächennormalen der Gleitfläche (13) am Rand (11) der Gleitfläche im unbelasteten Zustand größer ist als an deren Flächenzentrum (12).
Lagerkissen (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die örtlichen Materialstärkenunterschiede des Gleitbelags durch das Oberflächenprofil der Auflagefläche (10) des Grundkörpers (2) gebildet werden.
Lagerkissen nach einem Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagefläche des Grundkörpers (2) im Bereich des Flächenzentrums (12) einen Sockel (6) aufweist.
Lagerkissen nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflagefläche (10) des Grundkörpers (2) im Bereich des Flächenzentrums (12) ein konvexes Profil aufweist.
Lagerkissen (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gleitfläche (13) im unbelasteten Zustand ein an die Gegengleitfläche des Gleitlagers angepasstes Profil aufweist.
Lagerkissen nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) auf der Seite der Auflagefläche (10) im Randbereich eine Eindrehung (9.1) aufweist, sodass ein den Gleitbelag seitlich begrenzender Rand (8) und ein Sockel im Bereich des Flächenzentrums (12) der Auflagefläche (10) entsteht.
Lagerkissen (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sockel (6) einen kreisförmigen Querschnitt mit dem Flächenzentrum (12) als Mittelpunkt und einem Radius von 50–70% des kleinsten Abstands vom Flächenzentrum (12) zum Rand (11) aufweist.
Lagerkissen (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitbelag (3) aus einem Elastomer besteht.
Lagerkissen (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleitbelag (3) eine geringere Härte aufweist als der Grundkörper (2).
Lagerkissen nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lagerkissen (1) ferner eine elastische Abstützung (4) zur Anlage an ein Auflager (5) umfasst.
Lagerkissen nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Abstützung (4) aus dem Material des Gleitbelags (3) besteht.
Lagerkissen (1) nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die elastische Abstützung in Richtung des Rands des Grundkörpers (11) eine größere Dicke aufweist im Vergleich zum Bereich um die Zentralachse (14).
Lagerkissen (1) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (2) auf der Oberseite im Randbereich eine Eindrehung (9) und auf der Unterseite im Randbereich eine untere Eindrehung (9.2) aufweist, wobei in diesen Bereichen der Gleitbelag (3) und die elastische Abstützung (4) im Vergleich zu den angrenzenden Bereichen eine größere Dicke aufweisen.