DE102010032111A1

DE102010032111A1 - Fanglager für einen berührungslos gelagerten Rotor

Info

Publication number: DE102010032111A1
Application number: DE102010032111A
Authority: DE
Inventors: Willibald Albert
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-07-23
Filing date: 2010-07-23
Publication date: 2012-01-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Fanglager (1), aufgebaut als Schrägkugellager, für die Notlagerung eines berührungslos gelagerten Rotors. Zur Aufnahme von Stoßbelastungen und thermischen Belastungen weist dieses Fanglager (1) zwei Reihen von Kugeln (21) in X-Anordnung auf, die radial zwischen einem einteiligen Innenring (2) und einem radial geteiltem Außenring aus Außenringteilen (8, 9) angeordnet sind, wobei die Außenringteile (8, 9) axial elastisch gegeneinander verspannt sind, und bei dem die Außenringteile (8, 9) mittels eines zwischen den Reihen der Kugeln (21) angeordneten, sich axial beiderseits einer Stoßfuge (24) der Außenringteile (8, 9) erstreckenden koaxialen Zentrierrings (22) zentriert sind. Das Fanglager kann auch als zweireihiges Schrägkugellager in O-Anordnung mit einem geteilten Innenring und einem einteiligen Außenring ausgebildet sein.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Fanglager, aufgebaut als Schrägkugellager, für die Notlagerung eines berührungslos gelagerten Rotors, beispielsweise für einen durch Magnetlager abgestützten Rotor.
Hintergrund der Erfindung
Ein derartiges gattungsgemäßes Fanglager mit zwei Paaren von Schrägkugellagern ist in der DE 699 20 355 T2 beschrieben. Die Schrägkugellagerpaare sind in O-Anordnung montiert und sollen einen rotatorischen Auslauf des Rotors einer Vakuumpumpe ohne Gehäuseberührung oder Berührung von Teilen des Magnetlagers ermöglichen, wenn beispielsweise die Magnetlagerung des Rotors aufgrund eines Stromausfalls, einer Überlastung der Magnetlager oder einer Fehlfunktion der Steuerelektronik ausfällt.
Beim Absturz eines solchen Rotors beim Ausfall der Magnetlagerung kommt es zu heftigen Stößen, welche die Schrägkugellager stark belasten. Die den Rotor auffangenden Lagerringe werden extrem schnell beschleunigt, wodurch eine hohe Reibung und damit Reibungswärme zwischen den Lagerringen und dem Rotor entstehen. Ist hierbei die Rollreibung im Fanglager höher als die Gleitreibung zwischen dem Rotor und den betroffenen Lagerringen, kommt es zu örtlichen Überhitzungen und damit zu einem Totalausfall des Fanglagers. Die Rollreibung im Fanglager kann insbesondere dann höher als die Gleitreibung zwischen Rotor und Lagerring werden, wenn das Fett in den Schrägkugellagern durch diese Schrägkugellager geführte Kühlluft nach längerer Betriebszeit ausgetrocknet ist.
Da der Absturz eines Rotors mit einer hohen Fallenergie verbunden ist, ist es bekannt, zwischen dem Außenring und dem Gehäuse ein Federdämpfersystem in Form eines metallenen Wellbands vorzusehen. Es soll die Fallenergie letztlich in Wärme umwandeln, damit der zunächst springende Kontakt möglichst schnell in ein Ausrollen übergeht, ehe der Rotor dann zum Stillstand kommt. Die Lagerführung durch das metallene Wellband ist dadurch aber unbestimmt und wenig präzise.
Aufgabe der Erfindung
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Fanglager für einen berührungslos gelagerten Rotor vorzuschlagen, welches stoßdämpfende Eigenschaften ohne Verlust einer präzisen Gehäuselagerung des Fanglagers aufweist, und welches einen Abbau der Hertz'schen Spitzenpressung beim Absturz und bei thermischen Dehnungen aufgrund der dabei entstehenden Reibungswärme gewährleistet.
Zusammenfassung der Erfindung
Ausgehend von dieser Aufgabenstellung wird ein als Schrägkugellager aufgebautes Fanglager vorgeschlagen, beispielsweise für die Notlagerung eines berührungslos gelagerten Rotors, welches zwei Reihen von Kugeln in X-Anordnung aufweist, die radial zwischen einem einteiligen Innenring und einem radial geteiltem Außenring mit Außenringteilen angeordnet sind, wobei die Außenringteile axial elastisch gegeneinander verspannt sind, und bei dem die Außenringteile mittels eines zwischen den Reihen der Kugeln angeordneten, sich axial beiderseits einer Stoßfuge der Außenringteile erstreckenden koaxialen Zentrierrings zentriert sind.
Aufgrund der axial elastisch gegeneinander verspannten Außenringteile können diese elastisch nachgeben, wenn große Stoßkräfte auf das Fanglager einwirken und einen Ausgleich bei thermischen Dehnungen herbeiführen, so dass die Hertz'sche Pressung an den Kugeln und Laufbahnen die zulässigen Werte nicht überschreitet. Trotz der elastischen Nachgiebigkeit der Außenringteile geht die präzise Führung des Fanglagers nicht verloren, da die Außenringteile durch den Zentrierring mit geringem Spiel stets genau koaxial geführt sind.
Vorzugsweise kann der Zentrierring in aneinander stoßenden, bündig verlaufenden, zylindrischen Ausdrehungen in den Außenringteilen mit enger Gleitpassung angeordnet sein, so dass der Zentrierring axial sicher geführt ist und nicht mit den Kugeln in Berührung kommen kann.
Die elastische axiale Vorspannung der Außenringteile gegeneinander kann vorzugsweise mittels mehreren, über dem Umfang des Fanglagers gleichmäßig verteilt angeordneten, achsparallelen Schrauben und Druckfedern erfolgen. Dabei sind die Druckfedern in die Schrauben umgebenden, sacklochartigen Erweiterungsbohrungen in einem der Außenringteile angeordnet. Diese Druckfedern können als zylindrische Schraubenfedern oder Tellerfedern bzw. Tellerfederpakete ausgebildet sein, die sich einerseits an Köpfen der Schrauben, die in die Bohrungserweiterungen eingepasst sind, und andererseits an einem Absatz am Ende der Bohrungserweiterungen abstützen.
Um bei einem Rotorabsturz eine möglichst schnelle Beschleunigung des Innenringes auf die Drehzahl des Rotors zu erreichen, ist dieser vorzugsweise mit einer geringen Massenträgheit und hohen Festigkeit ausgeführt. Die beim Rotorabsturz auftretende Radialbelastung soll möglichst mittig auf das Fanglager wirken, weshalb die Bohrung des Innenrings im mittleren Bereich zylindrisch und zu den radialen Stirnflächen hin ballig ausgeführt ist.
Das erfindungsgemäße Fanglager ist als zweireihiges Präzisions-Schrägkugellager, vollkugelig mit Keramikkugeln und einem Druckwinkel von 25° ausgeführt und weist eine beidseitige Radial-Spaltabdichtung in Form einer Labyrinthdichtung sowie eine Fettfüllung auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels beschrieben, welches in der einzigen Figur einen Halbschnitt durch das erfindungsgemäße Fanglager zeigt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
Das erfindungsgemäße Fanglager 1 ist als Schrägkugellager ausgebildet und besteht aus einem einteiligen Innenring 2 mit zwei Kugellaufbahnen 3, der eine zentrale axiale Bohrung 4 aufweist, durch die ein Wellenteil eines Rotors mit Spiel geführt ist. Dieses Spiel ist kleiner als das Lagerspiel eines nicht dargestellten Magnetlagers, so dass das durch den Innenring 2 geführte Wellenteil des Fanglagers 1 am Innenring 2 zur Anlage kommen kann, bevor sich die entsprechenden Teile des Magnetlagers oder des Rotors in einem Gehäuse berühren.
Damit die Radialbelastung beim Absturz des Rotors möglichst mittig auf das Fanglager 1 wirkt, weist der Innenring 2 einen mittigen, zylindrischen Bereich 5 und zu den radialen Stirnflächen 7 hin ballige Bereiche 6 auf.
Das Fanglager 1 ist zweireihig mit einem geteilten Außenring mit zwei Außenringteilen 8 und 9 ausgeführt, die Laufbahnen 10 für als Wälzkörper dienende Keramikkugeln 21 aufweisen, welche vollkugelig ohne Käfig zwischen dem Innenring 2 und den Außenringteilen 8, 9 angeordnet sind.
Im Außenringteil 8 sind über dem Umfang gleichmäßig verteilte, achsparallel verlaufende Gewindebohrungen 11 angeordnet, von denen mindestens drei, vorzugsweise aber eine größere Anzahl vorhanden ist. Im zweiten Außenringteil 9 sind entsprechend zugeordnete Bohrungen 25 ausgebildet, die über einen Absatz 13 in eine radial nach außen weisende Bohrungserweiterung 12 übergehen. Diese Bohrungserweiterung 12 dient zur Aufnahme einer eine Schraube 14 umfassenden zylindrischen Schraubendruckfeder 16, die sich einerseits am Absatz 13 und andererseits an einem zylindrischen Kopf 15, der in die Bohrungserweiterung 12 eingepasst ist, abstützt. Anstelle einer zylindrischen Schraubendruckfeder 16 lässt sich in der Bohrungserweiterung 12 auch eine Tellerfeder oder ein Tellerfederpaket anordnen.
Die beiden Außenringteile 8, 9 weisen radiale Borde 17, 18 auf, die bis an entsprechende Außenmantelflächen des Innenrings 2 heranreichen und dort Labyrinthdichtungen 19, 20 aufweisen, so dass eine Fettfüllung des Fanglagers 1 nicht entweichen und auch nicht austrocknen kann.
Die Außenringteile 8, 9 weisen im Bereich ihrer Stoßfuge 24 radial innen zylindrische Ausdrehungen 23 auf, die zur Aufnahme und radialen Führung eines Zentrierrings 22 dienen. Dieser Zentrierring 22 hat die Aufgabe, die beiden Außenringteile 8, 9 formschlüssig miteinander radial zu zentrieren, insbesondere dann, wenn die Außenringteile 8, 9 aufgrund der über den Innenring 2 und die Keramikkugeln 21 übertragenen Radialkräften axial gegen den Druck der zylindrischen Schraubenfedern 16 begrenzt auseinander gedrückt werden.
Das dargestellte, erfindungsgemäße Fanglager 1 für einen berührungslos gelagerten Rotor ist als zweireihiges Präzisions-Schrägkugellager ausgebildet sowie vollkugelig mit den Keramikkugeln 21 gefüllt und mit einem Druckwinkel von 25° in X-Anordnung ausgeführt.
Beim Zusammenbau des Fanglagers 1 hält der Zentrierring 22 die Keramikkugeln 21 der zuerst eingefüllten Reihe zusammen, so dass ein Wenden des Schrägkugellagers 1 zum Befüllen der zweiten Kugelreihe möglich ist.
Bei einem Rotorabsturz entsteht zunächst eine Stoßbelastung auf den Innenring 2, die über die Keramikkugeln 21 auf die beiden Außenringteile 8, 9 übertragen wird. Die Außenringteile 8, 9 können gegen diese Belastung wegen der federnd angeordneten zylindrischen Schraubendruckfedern 16 axial ausweichen, wodurch eine Dämpfung der Stoßbelastung erreicht wird.
Beim Beschleunigen des Innenrings 2 entsteht Reibungswärme, die zu einer radialen Aufweitung des Innenrings 2 führt. Die Hertz'sche Pressung steigt dabei an und würde die Dauerfestigkeitsgrenze am Wälzkontakt Keramikkugeln 21 überschreiten. Um dieses zu vermeiden, ist die axiale Zusammenspannkraft der Außenringteile 8, 9 über die zylindrischen Schraubendruckfedern 16 so ausgelegt, dass diese elastisch nachgeben können und dadurch die Hertz'sche Pressung in den Wälzkontakten nicht weiter ansteigt.
Die gegenseitige Zentrierung der Außenringteile 8, 9 bleibt aufgrund der Führung durch den Zentrierring 22 in jeder Phase erhalten, so dass es nicht zu einem gestörten Kugelablauf und damit zu einer Erhöhung der Reibung im Schrägkugellager 1 kommen kann.
Durch die Vielzahl der Schrauben 14, welche die Außenringteile 8, 9 gegen den Federdruck der zylindrischen Schraubendruckfedern 16 zusammenspannen, ist die Vorspannung der Außenringteile 8, 9 über deren Umfang gleichmäßig verteilt, wodurch eine genaue Führung des erfindungsgemäßen Schrägkugellagers 1 in Verbindung mit der koaxialen Führung der Außenringteile 8, 9 durch den Zentrierring 22 erreicht wird.
Die Erfindung ist nicht auf ein Fanglager aus einem zweireihigen Schrägkugellager 1 mit einteiligem Innenring 2 und geteiltem Außenring aus den Außenringteilen 8, 9 beschränkt, bei dem ein Wellenteil des Rotors durch den Innenring 2 bei einem Absturz aufgefangen wird. Es ist vielmehr auch eine Anordnung möglich, bei der das zweireihige Schrägkugellager einen geteilten Innenring aus Innenringteilen und einen ungeteilten Außenring mit Kugelreihen in O-Anordnung aufweist, wobei in diesem Fall ein Wellenteil eines Rotors durch den ungeteilten Außenring abgefangen wird.
Bezugszeichenliste

1: Fanglager, zweireihiges Schrägkugellager
2: Einteiliger Innenring
3: Laufbahnen
4: Bohrung
5: Zylindrischer Bereich
6: Gallige Bereiche
7: Radiale Stirnflächen
8: Außenringteil
9: Außenringteil
10: Laufbahnen
11: Gewindebohrung
12: Bohrungserweiterung
13: Absatz
14: Schraube
15: Zylindrischer Kopf
16: Zylindrische Schraubendruckfeder
17: Radial-Bord
18: Radial-Bord
19: Labyrinthdichtung
20: Labyrinthdichtung
21: Keramikkugel
22: Zentrierring
23: Zylindrische Ausdrehungen
24: Stoßfuge
25: Bohrung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 69920355 T2 [0002]

Claims

Fanglager (1), aufgebaut als Schrägkugellager, für die Notlagerung eines berührungslos gelagerten Rotors, dadurch gekennzeichnet, dass dieses Fanglager (1) zwei Reihen von Kugeln (21) in X-Anordnung aufweist, die radial zwischen einem einteiligen Innenring (2) und einem radial geteiltem Außenring aus Außenringteilen (8, 9) angeordnet sind, dass die Außenringteile (8, 9) axial elastisch gegeneinander verspannt sind, und dass die Außenringteile (8, 9) mittels eines zwischen den Reihen der Kugeln (21) angeordneten, sich axial beiderseits einer Stoßfuge (24) der Außenringteile (8, 9) erstreckenden koaxialen Zentrierrings (22) zentriert sind.
Fanglager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentrierring (22) in aneinander stoßenden, bündig verlaufenden, zylindrischen Ausdrehungen (23) in den Außenringteilen (8, 9) mit enger Gleitpassung angeordnet ist.
Fanglager nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenringteile (8, 9) mittels mehreren, über dem Umfang gleichmäßig verteilt angeordneten, achsparallelen Schrauben (14) und Druckfedern (16) elastisch gegeneinander verspannt sind.
Fanglager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfedern (16) in die Schrauben (14) umgebenden, sacklochartigen Bohrungserweiterungen (12) in einem der Außenringteile (8, 9) angeordnet sind.
Fanglager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Bohrungserweiterung (12) dem Kopfdurchmesser einer Schraube (14) mit zylindrischem Kopf (15) entspricht, und dass eine zylindrische Schraubenfeder (16) zwischen dem Schraubenkopf (15) und einem Absatz (13) am Ende der Bohrungserweiterung (12) angeordnet ist.
Fanglager nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (2) mit einer geringen Massenträgheit und hohen Festigkeit ausgeführt ist.
Fanglager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bohrung (4) des Innenrings (2) im mittleren Bereich (5) zylindrisch und zu den radialen Stirnflächen (7) hin mit balligen Bereichen (6) ausgeführt ist.
Fanglager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass es als zweireihiges Präzisions-Schrägkugellager (1), vollkugelig mit Keramikkugeln (21) und einem Druckwinkel von 25° ausgeführt ist.
Fanglager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass es eine beidseitige Radial-Spaltabdichtung in Form einer Labyrinthdichtung (25) und eine Fettfüllung aufweist.