DE102011076107A1 - Lageranordnung - Google Patents

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Armin Schlereth
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung (1), umfassend zwei Kegelrollenlager (2, 3) mit jeweils einem Innenring (4, 5), einem Außenring (6, 7) und zwischen den Ringen angeordneten Kegelrollen (8, 9), wobei die Innenringe (4, 5) in oder auf einem ersten Maschinenteil (10), insbesondere einer Welle, montiert sind und wobei die Außenringe (6, 7) in oder auf einem zweiten Maschinenteil (11), insbesondere einem Gehäuse, montiert sind. Um bei erhöhter Betriebstemperatur automatisch eine Vorspannung in der Lageranordnung aufzubauen, sieht die Erfindung vor, dass die Außenringe (6, 7) oder die Innenringe (4, 5) mit einem zylindrischen Sitz (12, 13) auf einer die Ringe tragenden Spannhülse (14) mit zylindrischem Gegensitz (15) angeordnet sind, wobei der eine auf der Spannhülse (14) angeordnete Lagerring (7) an einem axialen Anschlag (16) des ersten oder zweiten Maschinenteils (10, 11) direkt oder indirekt anliegt, wobei der andere auf der Spannhülse (14) angeordnete Lagerring (6) an einem axialen Anschlag (17) der Spannhülse (14) anliegt, wobei der axiale Anschlag (17) der Spannhülse (14) durch einen radial vergrößerten oder verkleinerten Abschnitt (18) der Spannhülse (14) gebildet wird, wobei der Abschnitt (18) an der von dem Lagerring (6) abgewandten Seite eine Stirnfläche (19) aufweist, die einem axialen Anschlag (20) am ersten oder zweiten Maschinenteil (10, 11) gegenüberliegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Lageranordnung, umfassend zwei Kegelrollenlager mit jeweils einem Innenring, einem Außenring und zwischen den Ringen angeordneten Kegelrollen, wobei die Innenringe in oder auf einem ersten Maschinenteil, insbesondere einer Welle, montiert sind und wobei die Außenringe in oder auf einem zweiten Maschinenteil, insbesondere einem Gehäuse, montiert sind.
  • Kegelrollenlager dieser Art werden in vielfältigen Anwendungen eingesetzt, wobei es zumeist nötig ist, eine definierte axiale Vorspannung zwischen den beiden Kegelrollenlagern aufzubringen, damit eine stabile radiale und axiale Lagerung sichergestellt ist. Die Einstellung der richtigen Vorspannung ist dabei oft mit hohem Aufwand verbunden. Wichtig ist dabei, dass weder eine zu geringe noch eine zu hohe axiale Vorspannung vorgesehen wird, um eine optimale Lagerung sicherzustellen. Eine besondere Problematik stellt dabei der Umstand dar, dass die Größe der Vorspannung auch von der aktuellen Temperatur der Lageranordnung abhängt.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Lageranordnung so fortzubilden, dass die Einstellung einer axialen Vorspannung in einfacherer Weise möglich wird. Dabei ist insbesondere angestrebt, dass sich die Vorspannung in Abhängigkeit der Betriebstemperatur der Lageranordnung automatisch in gewünschter Weise aufbaut. Diese ist insbesondere bei Großlageranwendungen interessant, wie beispielsweise bei Lagerungen der Rotoren von Windkraftanlagen.
  • Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Außenringe oder die Innenringe mit einem zylindrischen Sitz auf einer die Ringe tragenden Spannhülse mit zylindrischem Gegensitz angeordnet sind, wobei der eine auf der Spannhülse angeordnete Lagerring an einem axialen Anschlag des ersten oder zweiten Maschinenteils direkt oder indirekt anliegt, wobei der andere auf der Spannhülse angeordnete Lagerring an einem axialen Anschlag der Spannhülse anliegt, wobei der axiale Anschlag der Spannhülse durch einen radial vergrößerten oder verkleinerten Abschnitt der Spannhülse gebildet wird, wobei der Abschnitt an der von dem Lagerring abgewandten Seite eine Stirnfläche aufweist, die einem axialen Anschlag am ersten oder zweiten Maschinenteil gegenüberliegt.
  • Die Spannhülse trägt dabei vorzugsweise die beiden Außenringe der beiden Kegelrollenlager. Die beiden Kegelrollenlager können dabei in X-Anordnung positioniert sein.
  • Bei Raumtemperatur, insbesondere bei 20 °C, kann zwischen der Stirnfläche des Abschnitts und dem axialen Anschlag am ersten oder zweiten Maschinenteil ein Spalt – gemessen in Richtung der Achse – vorliegen, der zwischen 30 μm und 250 μm liegt, vorzugsweise zwischen 50 μm und 150 μm, wobei bei einer erhöhten Betriebstemperatur der Lageranordnung, insbesondere bei einer Betriebstemperatur von mehr als 50 °C, bevorzugt der zwischen der Stirnfläche des Abschnitts und dem axialen Anschlag gegebene Spalt durch die wärmebedingte Ausdehnung der Spannhülse und insbesondere des Abschnitts auf Null reduziert ist.
  • Die Spannhülse kann zumindest in ihrem Bereich zwischen den beiden zylindrischen Sitzen für die Lagerringe einen federelastischen Abschnitt aufweisen. Der federelastische Abschnitt bewirkt, dass die gewünschten wärmebedingten Ausdehnungen durch Bereiche der Spannhülse nicht beeinflusst werden, die sich nicht wärmebedingt dehnen müssen. Der federelastische Abschnitt der Spannhülse kann durch eine Verminderung der Wanddicke der Spannhülse gebildet werden. Alternativ oder additiv kann vorgesehen werden, dass der federelastische Abschnitt der Spannhülse durch Ausnehmungen gebildet wird, die in die Spannhülse eingebracht sind. Diese Ausnehmungen können durch die Spannhülse radial durchsetzende Bohrungen gebildet werden.
  • Die Spannhülse kann weiterhin in einem Kontaktbereich zwischen der Spannhülse und dem ersten oder zweiten Maschinenteil und/oder zwischen der Spannhülse und einem Lagerring die Reibung herabsetzende Mittel aufweisen. Diese Mittel können durch mindestens eine Ringnut gebildet werden, die in die Spannhülse an einer radial innenliegenden oder radial außenliegenden zylindrischen Fläche eingearbeitet ist, wobei in die Ringnut ein Gleitmittel, insbesondere Fett oder Graphit, eingebracht ist.
  • Die Spannhülse besteht bevorzugt aus einem Material mit einem hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten, insbesondere aus Aluminium, Magnesium, Kupfer oder Messing.
  • Mit der vorgeschlagenen Lösung wird es möglich, die Lagerbauteile in solcher Weise vorzufertigen und zu montieren, dass zunächst – bei Raumtemperatur – keine Vorspannung zwischen den beiden Kegelrollenlagern vorliegt, dass dann allerdings bei einer zu erwartenden Betriebstemperatur eine gewünschte Vorspannung vorliegt.
  • Die Spannhülse kann zwischen einem zu lagernden Rotor und den Innenringen der Kegelrollenlager angeordnet sein. Genauso ist es auch möglich, dass die Außenringe der Kegelrollenlagerung von der Spannhülse gehalten werden, wobei die Spannhülse dann in einem Gehäuseteil angeordnet wird.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
  • 1 den Radialschnitt durch eine Lageranordnung mit zwei Kegelrollenlagern, die eine Welle relativ zu einem Gehäuse lagern,
  • 2 die Seitenansicht einer rotationssymmetrischen Spannhülse, die Bestandteil der Lageranordnung ist und
  • 3 den Schnitt A-B durch die Spannhülse.
  • In 1 ist eine Lageranordnung 1 zu sehen, die zwei Kegelrollenlager 2, 3 aufweist. Die beiden Kegelrollenlager 2, 3 haben in bekannter Weise jeweils einen Innenring 4 bzw. 5, einen Außenring 6 bzw. 7 und zwischen den Ringen angeordnete Kegelrollenreihen 8, 9. Die Lageranordnung 1 lagert ein erstes Maschinenteil 10 in Form einer rotierenden Welle relativ zu einem zweiten Maschinenteil 11 in Form eines Gehäuses. Die Drehachse der Welle 10 ist mit a bezeichnet.
  • Während die beiden Lagerinnenringe 4, 5 direkt auf der Welle 10 angeordnet sind, werden die beiden Lageraußenringe 6 und 7 von einer Spannhülse 14 aufgenommen. Die Spannhülse 14 hat hierzu einen zylindrischen Gegensitz 15, der vorgesehen ist, die zylindrischen Sitze 12 und 13 der beiden Außenringe 6, 7 aufzunehmen.
  • Die Lagerinnenringe 4, 5 werden auf der Welle 10 durch ein Endteil 25 fixiert.
  • Der Lageraußenring 7 sitzt radial indirekt im Gehäuse 11; er liegt aber axial an einem axialen Anschlag 16 an, der von einem Endteil 26 gebildet wird, der am Gehäuse 11 fixiert ist.
  • Der andere Lageraußenring 6 sitzt ebenfalls radial indirekt im Gehäuse 11. Aber auch axial liegt er (in 1 links) nicht unmittelbar am Gehäuse 11 an, sondern an einem axialen Anschlag 17, der von einem radial verkleinerten Abschnitt 18 der Spannhülse 14 gebildet wird. Dieser Abschnitt erstreckt sich über eine Längenerstreckung in Richtung der Achse a, bevor eine Stirnfläche 19 die Spannhülse 14 abschließt. Diese Stirnfläche 19 ist vorgesehen, im Betrieb der Lageranordnung an einem axialen Anschlag 20 des Gehäuses 11 zur Anlage zu kommen. Bei Raumtemperatur liegt allerdings – wie in 1 stark übertrieben dargestellt – ein Spalt s zwischen den Flächen 19 und 20 vor.
  • Erwärmt sich im Betrieb insbesondere die Welle 10, dehnt diese sich demgemäß in axiale Richtung a aus. Die sich axial ausdehnende Welle 10 treibt die beiden Lageraußenringe 6, 7 voneinander weg, was die Spannhülse 14 axial dehnt. Demgemäß wird der Spalt s kleiner, bis er schließlich zu Null wird; bei weiterer Erwärmung überträgt sich die Wärmeausdehnung der Welle 10 über die Lager 2, 3 auf die Spannhülse 14, so dass der Abschnitt 18 mit seiner Stirnfläche 19 axial auf den Anschlag 20 drückt, so dass die beiden Kegelrollenlager 2, 3 in axiale Richtung verspannt werden.
  • Damit der in 1 rechte Bereich der Spannhülse 14 hiervon weitgehend unbeeinflusst bleibt und die gewünschte temperaturbedingte Längenänderung nicht behindert, ist die Spannhülse 14 in ihrem mittleren Bereich mit einem federelastischen Abschnitt 21 versehen.
  • Die Ausgestaltung dieses Abschnitts 21 geht am besten aus den 2 und 3 hervor. Demgemäß ist zunächst einmal die Wanddicke d der Spannhülse 14 in diesem Bereich herabgesetzt, was den Mittenteil der Spannhülse per se elastischer, d. h. nachgiebiger macht. Dann sind Ausnehmungen 22 in Form von Bohrungen in den Mittenbereich eingebracht, die eine zusätzlich Schwächung des Materials hervorrufen und so dem Mittenbereich der Spannhülse 14 eine definierte Federelastizität verleihen.
  • Mehrere Bohrungen 22 sind axial nebeneinander angeordnet, weiterhin sind mehrere Bohrungen in Umfangsrichtung der Spannhülse 14 äquidistant angeordnet.
  • Weiterhin sind Mittel 24 vorgesehen, die in definierten Kontaktbereichen 23 zwischen Spannhülse 14 und Gehäuse 11 sicherstellen, dass die temperaturbedingten und gewünschten Verlagerungen der Bauteile nicht behindert werden. Diese Mittel bestehen im Ausführungsbeispiel aus Ringnuten, die mit einem Medium gefüllt sind, die die Gleiteigenschaften erhöhen, z. B. Graphit oder Schmierfett. Es kann sich auch um einen Gleitwerkstoff handeln, wie er im Gleitlagerbau eingesetzt wird.
  • Die Kegelrollenlager 2, 3 sind also im Ausführungsbeispiel in X-Anordnung positioniert, wobei die Außenringe 6, 7 von der Spannhülse 14 getragen werden. Bei Raumtemperatur (20 °C) liegt der Spalt s im Bereich von 100 μm. Demgemäß ist bei Raumtemperatur die Lageranordnung nicht vorgespannt. Im Betrieb werden die Lageranordnung und insbesondere die Welle 10 warm, so dass sie sich axial ausdehnt. Demgemäß schrumpft der Spalt auf Null und die Flächen 19 und 20 pressen aufeinander. Hierdurch wird die Lageranordnung axial vorgespannt.
  • Die Abmessungen der Spannhülse sowie die Materialparameter, insbesondere der Wärmeausdehnungskoeffizient, sind so gewählt, dass bei der zu erwartenden Erwärmung im Betrieb eine hinreichende axiale Längenänderung stattfindet, die nicht nur den Spalt s zu Null macht, sondern darüber hinaus die gewünschte Vorspannung aufbaut. Dabei kann vorgesehen werden, dass die Maße und Materialien so gewählt werden, dass bei der zu erwartenden Temperaturdifferenz zwischen Betriebstemperatur und Umgebungstemperatur ca. 100 bis 250 μm Längenänderung der Spannhülse 14 entstehen.
  • Die Spannhülse 14 weist also mit Gleitmaterial (z. B. Graphit oder Schmiermittel, insbesondere Schmierfett) gefüllte Vertiefungen (vorliegend die Ringnuten 24) auf. Weiterhin weist die Spannhülse 14 wie beschrieben einen Bereich mit geringerer Wanddicke auf, der als Feder wirkt, d. h. die Steifigkeit der Spannhülse 14 in axiale Richtung herabsetzt.
  • Um diesen elastischen Effekt zu erreichen, sind die Ausnehmungen 22 in Form der Bohrungen in die Spannhülse 14 eingebracht. Hiermit lässt sich die Federwirkung gezielt steuern.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Lageranordnung
    2
    Kegelrollenlager
    3
    Kegelrollenlager
    4
    Innenring
    5
    Innenring
    6
    Außenring
    7
    Außenring
    8
    Kegelrolle
    9
    Kegelrolle
    10
    erstes Maschinenteil (Welle)
    11
    zweites Maschinenteil (Gehäuse)
    12
    zylindrischer Sitz
    13
    zylindrischer Sitz
    14
    Spannhülse
    15
    zylindrischer Gegensitz
    16
    axialer Anschlag
    17
    axialer Anschlag
    18
    radial vergrößerter / verkleinerter Abschnitt
    19
    Stirnfläche des radial vergrößerten Abschnitts
    20
    axialer Anschlag
    21
    federelastischer Abschnitt
    22
    Ausnehmung
    23
    Kontaktbereich
    24
    Reibung herabsetzendes Mittel (gefüllte Ringnut)
    25
    Endteil
    26
    Endteil
    a
    Achse / axiale Richtung
    s
    Spalt
    d
    Wanddicke

Claims (10)

  1. Lageranordnung (1), umfassend zwei Kegelrollenlager (2, 3) mit jeweils einem Innenring (4, 5), einem Außenring (6, 7) und zwischen den Ringen angeordneten Kegelrollen (8, 9), wobei die Innenringe (4, 5) in oder auf einem ersten Maschinenteil (10), insbesondere einer Welle, montiert sind und wobei die Außenringe (6, 7) in oder auf einem zweiten Maschinenteil (11), insbesondere einem Gehäuse, montiert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenringe (6, 7) oder die Innenringe (4, 5) mit einem zylindrischen Sitz (12, 13) auf einer die Ringe tragenden Spannhülse (14) mit zylindrischem Gegensitz (15) angeordnet sind, wobei der eine auf der Spannhülse (14) angeordnete Lagerring (7) an einem axialen Anschlag (16) des ersten oder zweiten Maschinenteils (10, 11) direkt oder indirekt anliegt, wobei der andere auf der Spannhülse (14) angeordnete Lagerring (6) an einem axialen Anschlag (17) der Spannhülse (14) anliegt, wobei der axiale Anschlag (17) der Spannhülse (14) durch einen radial vergrößerten oder verkleinerten Abschnitt (18) der Spannhülse (14) gebildet wird, wobei der Abschnitt (18) an der von dem Lagerring (6) abgewandten Seite eine Stirnfläche (19) aufweist, die einem axialen Anschlag (20) am ersten oder zweiten Maschinenteil (10, 11) gegenüberliegt.
  2. Lageranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannhülse (14) die beiden Außenringe (6, 7) der beiden Kegelrollenlager (2, 3) trägt.
  3. Lageranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kegelrollenlager (2, 3) in X-Anordnung positioniert sind.
  4. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Raumtemperatur, insbesondere bei 20 °C, zwischen der Stirnfläche (19) des Abschnitts (18) und dem axialen Anschlag (20) am ersten oder zweiten Maschinenteil (10, 11) ein Spalt (s) gemessen in Richtung der Achse (a) vorliegt, der zwischen 30 μm und 250 μm liegt, vorzugsweise zwischen 50 μm und 150 μm, wobei bei einer erhöhten Betriebstemperatur der Lageranordnung (1), insbesondere bei einer Betriebstemperatur von mehr als 50 °C, bevorzugt der zwischen der Stirnfläche (19) des Abschnitts (18) und dem axialen Anschlag (20) gegebene Spalt (s) durch die wärmebedingte Ausdehnung der Lageranordnung (1) auf Null reduziert ist.
  5. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannhülse (14) zumindest in ihrem Bereich zwischen den beiden zylindrischen Sitzen (12, 13) für die Lagerringe einen federelastischen Abschnitt (21) aufweist.
  6. Lageranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der federelastische Abschnitt (21) der Spannhülse (14) durch eine Verminderung des Wanddicke (d) der Spannhülse (14) gebildet wird.
  7. Lageranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der federelastische Abschnitt (21) der Spannhülse (14) durch Ausnehmungen (22) gebildet wird, die in die Spannhülse (14) eingebracht sind.
  8. Lageranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (22) durch die Spannhülse (14) radial durchsetzende Bohrungen gebildet werden.
  9. Lageranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannhülse (14) in einem Kontaktbereich (23) zwischen der Spannhülse (14) und dem ersten oder zweiten Maschinenteil (10, 11) und/oder zwischen der Spannhülse (14) und einem Lagerring die Reibung herabsetzende Mittel (24) aufweist.
  10. Lageranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die die Reibung herabsetzenden Mittel (24) durch mindestens eine Ringnut gebildet werden, die in die Spannhülse (14) an einer radial innenliegenden oder radial außenliegenden zylindrischen Fläche eingearbeitet ist, wobei in die Ringnut ein Gleitmittel, insbesondere Fett oder Graphit, eingebracht ist.
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