DE102014216313A1 - Lagerring und Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Lagerring mit integrierten Kühlkanälen und ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings mit integrierten Kühlkanälen.

Description

  • Gegenstand der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft einen Lagerring mit integrierten Kühlkanälen und ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings mit integrierten Kühlkanälen.
  • Stand der Technik
  • Lagerringe in Flugtriebwerken sind generell hohen Überrollbelastungen und hohen Betriebstemperaturen ausgesetzt. Dies gilt in besonderem Maße für Lagerringe in Hauptwellenlagerungen. Als Werkstoffe für derartige Lagerring werden überwiegend warmfeste durchhärtende oder einsatzgehärtete Stähle, wie beispielsweise M50 (AMS 6491), M50NiL (AMS 6278), RBD, Pyrowear 675 (AMS 5930) eingesetzt.
  • Die Wärmeableitung aus den Kontaktbereichen erfolgt durch einen kontinuierlichen Ölstrom. Dabei kann eine verbesserte Wärmeableitung aus dem Kontaktbereich eine Leistungssteigerung von Lagern bewirken, beispielsweise im Triebwerksbereich. Bekannt ist eine Wärmeableitung beispielsweise aus der EP 2 503 107 B1 , die eine Lageranordnung für eine Strömungsmaschine beschreibt, wobei ein Lagergehäuseteil mit einem Kühlmittelkanal und ein Lagergehäuseteil mit einem Schmiermittelkanal versehen sind, wobei der Kühlmittelkanal und der Schmiermittelkanal voneinander fluidisch getrennt sind. Konkret wird ein Materialverbund aus einem Lagergehäuse mit integrierten Kühlkanälen im Verbund mit einer Lagerschale beschrieben.
  • Da jedoch die Dauerfestigkeit der genannten warmfesten Stähle mit steigender Temperatur abnimmt und auch die Betriebstemperatur, unter der die zur Schmierung und Wärmeabfuhr verwendeten Öle eingesetzt werden können, begrenzt ist, kann mit den derzeit verwendeten Lagerwerkstoffen und Ölen eine höhere Temperatur im Kontaktbereich nicht zugelassen werden.
  • Grundsätzlich ist zwar beispielsweise auch in der EP 2 503 107 B1 eine Wärmeableitung aus dem Kontaktbereich möglich. Die Kühlmöglichkeit ist jedoch begrenzt, da die vom Kühlmittel durchströmten Kanäle relativ weit von der Kontaktfläche entfernt sind, da die Lagerschale aus Festigkeitsgründen eine bestimmte Mindestdicke aufweisen muss. Darüberhinaus ist die Herstellung des beschriebenen Verbundes problematisch. Weiterhin wird durch das Einbringen der Kühlkanäle am Innendurchmesser des Innenrings oder am Außendurchmesser des Aussenrings die dort vorliegenden Passungsverhältnisse, beispielsweise im Hinblick auf Festigkeit und unterschiedliche Ausdehnung der Passungspartner, beeinflusst.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung ist es demnach, Lagerringe und ein Verfahren zu deren Herstellung bereitzustellen, wobei eine effektive Wärmeabfuhr aus dem Kontaktbereich möglich ist.
  • Beschreibung der Erfindung
  • Gelöst wird die Aufgabe durch einen Lagerring gemäß Patentanspruch 1.
  • Der erfindungsgemäße Lagerring umfasst dabei integrierte innenliegende Kühlkanäle, die einen Querschnitt aufweisen, der von einer Kreisform abweicht. Dabei kann der Querschnitt ähnlich einem gekrümmten Langloch, Dreieck, Halbkreis, Kreisringabschnitt oder Polygon ausgebildet sein.
  • Besonders bevorzugt ist ein Querschnitt, der sich bogenförmig in ähnlicher Form wie die zu kühlende Laufbahn erstreckt, also gewissermaßen an die Laufbahnform angeschmiegt, bzw. angepasst ist. Durch diese Formgebung erhöht sich der Wärmeübergang zwischen Kühlkanal und Laufbahn. Dadurch verbessert sich zwangsläufig auch die Beanspruchbarkeit des eingesetzten Lagers im Hinblick auf Drehzahl, Lastfähigkeit und Temperaturbereich.
  • Ebenfalls ist eine kompaktere Bauweise möglich: Grundsätzlich führt eine kompaktere Bauweise bei gleicher äußerer Last zu höheren Flächenpressungen in den Wälzkontakten. Damit verbunden sind höhere in den Wälzkontakten erzeugte Verlustleistungen und somit auch höhere thermische Beanspruchungen der Lagerkomponenten. Mit der vorliegenden Erfindung durch den Ölstrom in den laufbahnnahen Kühlkanälen mit angeschmiegter Querschnittsform können einerseits diese höheren Temperaturen kompensiert bzw. sogar verringert werden. Zum anderen kann durch die laufbahnnahe Einbringung der Kühlkanäle und die optimierte Querschnittsform ein größerer Wärmestrom abtransportiert werden, dies bei Anordnung der Kühlkanäle im Lagersitzdurchmesser der Fall ist. Das bedeutet im Umkehrschluss, dass ein geringerer Bedarf an Kühlflüssigkeit besteht, also weniger Ölvolumenstrom sowie eine kleinere Wärmeaustauschfläche benötigt wird, d.h. eine kleinere Querschnittsfläche des Kanals oder ein kürzerer Kühlkanal.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann der Kanalquerschnitt über den Kanalverlauf hinweg variieren in Form und Flächenmaß, wodurch die Wärmeaustauschfläche, der Wärmeübergangskoeffizient und die Durchflussgeschwindigkeit des Kühlmittels beeinflusst werden kann. Diese gezielte Beeinflussung der Wärmeübertragung in Umfangsrichtung kann sich vorteilhaft für die Abfuhr der Verlustleistungen in der bei radial belasteten Wälzlagern ausgeprägten Lastzone in Umfangsrichtung auswirken. Darüber hinaus können durch in Umfangsrichtung veränderliche Querschnittsformen und Flächenmaße besondere Anforderungen an die Strukturfestigkeit der Ringe berücksichtigt werden.
  • Gelöst wird diese Aufgabe ferner durch ein Verfahren nach Patentanspruch 3.
  • Erfindungsgemäß werden Kühlkanäle in unmittelbarer Nähe der Kontaktzone, bzw. der Lauffläche des Lagerrings, dergestalt eingebracht, dass diese sich direkt integriert in dem Werkstoff, der die Laufbahn ausbildet, befinden.
  • Damit ist eine wirksame Abfuhr von Wärme aus dem Kontaktbereich durch öldurchströmte Kanäle möglich, die sich in den Nahbereichen der Kontaktzonen der Lagerringe befinden. Ein Einbringen von Kühlkanälen ist in diesem Bereich mit bisher angewendeten Fertigungsverfahren nicht möglich. Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, die Kühlkanäle während des Ausformens der Lagerringe auszubilden – vorzugsweise durch ein generatives Fertigungsverfahren, wie beispielsweise Laserschmelzen, Lasersintern oder dergleichen.
  • Allerdings ist dieses Verfahren nach dem derzeitigen Stand der Technik nicht anwendbar bei den durchhärtenden Stählen, die für die extremen Einsatzzwecke, beispielsweise in Flugtriebwerken, benötigt werden, da sich während des generativen Herstellungsprozesses starker Verzug und Risse bilden können.
  • Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, für das generative Fertigungsverfahren ein Pulver eines niedrigkohlenstoffhaltigen Stahles zu verwenden. Die notwendige Härte im Bereich der Laufbahnen kann dann durch ein nachfolgendes Randschichthärten erfolgen, beispielsweise durch ein nachträgliches Anreichern mit Kohlenstoff.
  • Beschreibung der Figur
  • 1 zeigt einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Lagerring 10 mit entlang der Laufbahn 11 eingebrachten Kanälen 12.
  • 2 zeigt einen Querschnitt durch ein Laber mit erfindungsgemäßen Lagerringen 10. Entlang der Laufbahnen (11) sind verschiedene Kanäle (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) mit unterschiedlichen Qerschnittsformen erkennbar.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 2503107 B1 [0003, 0005]

Claims (9)

  1. Lagerring (10) mit einem oder mehreren nahe einer Laufbahn (11) integrierten innenliegenden Kanälen (12a, 12b, 12c, 12d, 12e), dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Kanäle (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) eine von einer Kreisform abweichende Querschnittsform aufweist.
  2. Lagerring (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Querschnittsform mindestens einer der Kanäle (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) entlang seines Verlaufs ändert.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings (10) umfassend folgende Schritte: – Bereitstellen eines Pulvers eines niedrigkohlenstoffhaltigen Stahles – Ausbildung eines Lagerrings (10) mit innenliegenden Kanälen (12) nahe einer Laufbahn (11) des Lagerrings (10) mittels eines generativen Fertigungsverfahren.
  4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als generatives Fertigungsverfahren Laserschmelzen angewendet wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als generatives Fertigungsverfahren Lasersintern angewendet wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, ferner umfassend ein nachfolgendes Randschichthärten des Lagerrings.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Randschichthärten ein Anreichern mit Kohlenstoff umfasst.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung des Lagerrings (10) ein Ausbilden von Kanälen (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) mit einer Querschnittform abweichend von einer Kreisform umfasst.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Lagerrings (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausbildung des Lagerrings (10) ein Ausbilden von Kanälen (12a, 12b, 12c, 12d, 12e) mit einer Querschnittform umfasst die sich entlang dessen Verlaufs ändert.
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