DE102019106732B4

DE102019106732B4 - Anordnung zur Axiallagerung einer Welle

Info

Publication number: DE102019106732B4
Application number: DE102019106732.4A
Authority: DE
Inventors: Burkhard Pinnekamp
Original assignee: Renk Test System GmbH
Current assignee: Renk Test System GmbH
Priority date: 2019-03-18
Filing date: 2019-03-18
Publication date: 2020-12-31
Anticipated expiration: 2039-03-19
Also published as: DE102019106732A1

Abstract

Anordnung zur Axiallagerung einer Welle (10);
mit mindestens zwei zusammen mit der Welle (10) rotierenden, eine Doppelschrägverzahnung ausbildenden Wellenzahnrädern (11, 12);
mit mindestens zwei Radachsen (13), wobei jede Radachse (13) jeweils mindestens zwei zusammen mit der jeweiligen Radachse (13) rotierende und mit den Wellenzahnrädern (11, 12) in Eingriff stehende Achszahnräder (14, 15) aufweist, die einen größeren Durchmesser aufweisen als die Wellenzahnräder (11, 12);
wobei eine auf die Welle (10) einwirkende Axialkraft über eine Vorflanke (16) eines ersten Wellenzahnrads (11, 12) und die mit demselben in Eingriff stehenden Achszahnräder (14, 15) und über eine Rückflanke (17) eines zweiten Wellenzahnrads (12, 11) und die mit demselben in Eingriff stehenden Achszahnräder (15, 14) auf die Radachsen (13) aufteilbar ist;
mit Axiallagern (18) zur Axiallagerung der Radachsen (13) und über die Radachsen (13) zur Axiallagerung der Welle (10), wobei die Axiallager (18) hydraulisch gekoppelt sind, um die auf die Welle (10) einwirkenden Axialkräfte gleichmäßig auf die Radachsen (13) aufzuteilen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Axiallagerung einer Welle.
Bei Strömungsmaschinen können an Wellen gleichzeitig hohe Drehzahlen, hohe Drehmomente und hohe Axialkräfte auftreten, die beispielsweise bei der Erprobung solcher Strömungsmaschinen in einem Prüfstand aufzunehmen sind. Die Aufnahme hoher Axialkräfte bei gleichzeitig hohen Drehzahlen ist mit konventionellen Anordnungen zur Axiallagerung nicht möglich. Es besteht daher Bedarf an einer neuartigen Anordnung zur Axiallagerung einer Welle, die zur Aufnahme hoher Axialkräfte bei gleichzeitig hohen Drehzahlen geeignet ist.
DE 31 19 305 A1 offenbart eine Anordnung zur Axiallagerung einer Welle mit mindestens zwei zusammen mit der Welle rotierenden, eine Doppelschrägverzahnung ausbildenden Wellenzahnrädern. Die Anordnung weist zwei Radachsen auf, wobei jede Radachse jeweils mindestens zwei zusammen mit der jeweiligen Radachse rotierende und mit den Wellenzahnrädern in Eingriff stehende Achszahnräder aufweist, die einen größeren Durchmesser aufweisen als die Wellenzahnräder. Ferner ist ein Lastausgleichsgestänge offenbart, um Drucklager gleichmäßig zu belasten.
US 1 898 198 A offenbart eine weitere Anordnung zur Axiallagerung einer Welle.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Anordnung zur Axiallagerung einer Welle zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung zur Axiallagerung einer Welle nach Anspruch 1 gelöst.
Die Anordnung zur Axiallagerung umfasst mindestens zwei zusammen mit der Welle rotierende, eine Doppelschrägverzahnung ausbildende Wellenzahnräder.
Die Anordnung zur Axiallagerung umfasst weiterhin mindestens zwei Radachsen, wobei jede Radachse jeweils mindestens zwei zusammen mit der jeweiligen Radachse rotierende und mit den Wellenzahnrädern in Eingriff stehende Achszahnräder, die ein größeren Durchmesser aufweisen als die Wellenzahnräder.
Eine auf die Welle einwirkende Axialkraft ist über eine Vorflanke eines ersten Wellenzahnrads und die mit demselben in Eingriff stehenden Achszahnräder, sowie über eine Rückflanke eines zweiten Wellenzahnrads und die mit demselben in Eingriff stehenden Achszahnräder auf die Radachsen aufteilbar.
Die Anordnung zur Axiallagerung umfasst weiterhin Axiallager zur Axiallagerung der Radachsen und über die Radachsen zur Axiallagerung der Welle.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur Axiallagerung wird die Drehzahl der Welle durch die Übersetzungsstufen zwischen den Wellenzahnrädern und den Achszahnrädern im Bereich der Radachsen reduziert. Ferner wird durch die mehreren Radachsen mit ihren Achszahnrädern, die in die Wellenzahnräder kämmen, die auf die Welle einwirkende Axialkraft auf die mehreren Radachsen aufgeteilt. Im Bereich jeder Radachse muss demnach bei geringerer Drehzahl als an der Welle nur ein Bruchteil der an der Welle anfallenden Axialkraft aufgenommen werden. Hierdurch können dann im Bereich der Radachsen konventionelle Axiallager zur Axiallagerung der Radachsen zum Einsatz kommen, um so letztendlich über die Radachsen die Welle axial zu lagern.
Die Axialkraft ist gleichmäßig auf die Radachsen aufteilbar. Hierzu sind die Axiallager hydraulisch gekoppelt, um die auf die Welle einwirkenden Axialkräfte gleichmäßig auf die Radachsen. Alternativ kann die Welle sich radial frei einstellen, um die auf die Welle einwirkenden Axialkräfte gleichmäßig auf die Radachsen aufzuteilen. Hiermit ist eine besonders vorteilhafte Aufnahme der auf die angetriebene Welle wirkenden Axialkraft im Bereich der Axiallager der Radachsen möglich.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Ausführungsbeispiele der Erfindung werden, ohne hierauf beschränkt zu sein, an Hand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:

1 ein Schema einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Axiallagerung einer Welle;
2 ein Detail der 1.

1 zeigt stark schematisiert eine Anordnung zur Lagerung einer axial zu lagernden Welle 10. Bei dieser Welle 10 kann es sich um eine von einer Strömungsmaschine angetriebene Welle im Bereich eines Prüfstands handeln.
Die Welle 10 trägt mindestens zwei Zahnräder 11, 12, die zusammen mit der Welle 10 rotieren und eine Doppelschrägverzahnung ausbilden. Die mit der Welle 10 rotierenden Zahnräder 11, 12 werden nachfolgend als Wellenzahnräder 11, 12 bezeichnet.
Die Anordnung zur Axiallagerung verfügt darüber hinaus über mindestens eine, vorzugsweise mindestens zwei oder drei, Radachsen 13. In 1 ist lediglich eine derartige Radachse 13 gezeigt.
Jede Radachse 13 weist jeweils mindestens zwei zusammen mit der jeweiligen Radachse 13 rotierende und mit den Wellenzahnrädern 11, 12 in Eingriff stehende Zahnräder 14, 15 auf, wobei diese mit der jeweiligen Radachse 13 rotierenden Zahnräder 14, 15 nachfolgend als Achszahnräder 14, 15 bezeichnet werden.
Die Achszahnräder 14, 15 weisen einen größeren Durchmesser als die Wellenzahnräder 11, 12 auf, sodass durch die hierdurch bereitgestellte Übersetzungsstufe zwischen den ineinander kämmenden Wellenzahnrädern 11, 12 und Achszahnrädern 14, 15 die jeweilige Radachse 13 mit einer kleineren Drehzahl dreht als die Welle 10.
Wie bereits ausgeführt, umfasst die Anordnung zur Axiallagerung mindestens eine Radachse 13, vorzugsweise mindestens zwei oder drei Radachsen 13, mit entsprechenden Achszahnrädern 14, 15, wobei ein Achszahnrad 14 einer jeden Radachse 13 mit einem der Wellenzahnräder 11 der Welle 10 und das jeweilige andere Achszahnrad 15 einer jeden Radachse 13 mit dem anderen Wellenzahnrad 12 der Welle 10 kämmt.
Eine auf die Welle 10 einwirkende Axialkraft F_A ist über eine Vorflanke 16 der Zahnflanken eines der Wellenzahnräder 11 oder 12 und über eine Rückflanke 17 der Zahnflanken des anderen Wellenzahnrads 12 oder 11 anteilig in Richtung auf die mit den Wellenzahnrädern 11, 12 in Eingriff stehenden Achszahnräder 14, 15 und damit in Richtung auf die Radachsen 13 übertragbar, nämlich aufteilbar, vorzugsweise gleichmäßig.
Dann, wenn die Anordnung zur Axiallagerung der Welle 10 drei Radachsen 13 mit den Achszahnrädern 14, 15 aufweist, wirkt auf jedes der Achszahnräder 14, 15 ein Sechstel der Axialkraft F_A und auf jede der Radachsen 13 ein Drittel der Axialkraft FA.
Auf jedes der Achszahnräder 14, 15 wirkt demnach ein Bruchteil der Axialkraft F_A, die auf die Welle 10 einwirkt, wobei dieser Bruchteil durch die Anzahl x der Radachsen 13 und die Anzahl y der Wellenzahnräder 11, 12 bestimmt wird, die mit den Achszahnrädern 14, 15 der Radachsen 13 in Eingriff stehen, sodass demnach der Bruchteil der auf die Achszahnräder 14, 15 einwirkenden Axialkraft F_A/(x*y) beträgt.
Jeder Radachse 13 ist ein Axiallager 18 zugeordnet, über welches die jeweilige Radachse 13 axial gelagert ist. Über die mit den Radachsen 13 zusammenwirkenden, parallel wirkenden Axiallager 18 wird letztendlich die Axiallagerung der Welle 10 bereitgestellt.
Dabei erfolgt die Axiallagerung der Radachsen 13 bei einem Bruchteil der auf die Welle 10 einwirkenden Axialkraft F_A und bei einem Bruchteil der Drehzahl n der Welle 10. Typischerweise beträgt die Übersetzung zwischen der Welle 10 und den Radachsen 13 zwischen 4 und 5, sodass dann die Drehzahl der Radachsen 13 ein Viertel oder ein Fünftel der Drehzahl n der Welle 10 beträgt.
In die Welle 10 wird demnach bei einer Drehzahl n eine Axialkraft F_A sowie ein Drehmoment M eingetragen. Drehzahl n und Drehmoment M werden weitestgehend unverändert durch die Anordnung hindurchgeleitet. Die Wellenzahnräder 11, 12 der Welle 10 und die Achszahnräder 14, 15 der mehreren Radachsen 13 bewirken eine Kraftaufteilung der auf die Welle 10 einwirkenden Axialkraft F_A auf die Radachsen 13, vorzugsweise eine gleichmäßige Kraftaufteilung. Wie bereits ausgeführt, wird die Axialkraft dabei anteilig auf der Vorflanke 16 eines Wellenzahnrads und auf der Rückflanke 17 des anderen Wellenzahnrads übertragen. Dann, wenn drei Radwellen 13 mit jeweils zwei Achszahnrädern 14, 15 zum Einsatz kommen, die mit den beiden Wellenzahnrädern 11, 12 in Eingriff stehen, wird jede Zahnflanke eines Achszahnrads 14, 15 mit einem Sechstel der Axialkraft F_A und jede Radachse 13 mit einem Drittel der Axialkraft F_A beaufschlagt. Die Radwellen 13 sind vorteilhaft in gleicher Winkelverteilung um die Welle 10 angeordnet, so dass sich die entstehenden Radialkräfte ausgleichen.
Aus der Schrägverzahnung der Zahnräder 11, 12, 14, 15 resultierende Umfangskräfte Fc heben sich gegenseitig auf. Ein hierdurch entstehendes Drehmoment wird zwischen den Zahnhälften der Zahnräder als sogenanntes Blindmoment übertragen und ausgeglichen, sodass nach außen nur die Axialkraft F_A übertragen wird.
Wie bereits ausgeführt, kommt im Bereich jeder Radachse 13 ein Axiallager 18 zum Einsatz, welches vorzugsweise als Axialgleitlager mit entsprechenden Gleitkörpern 19 ausgebildet ist.
Wie ebenfalls bereits ausgeführt, wird die Axialkraft F_A, die auf die Welle 10 einwirkt gleichmäßig auf die Radachsen 13 aufgeteilt. Hierzu können die Axiallager 18 der Radachsen 13 axial einstellbarsein, um Fertigungstoleranzen der Schrägverzahnungen an den in Eingriff stehenden Zahnrädern auszugleichen. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass ein Lagergehäuse 20 des jeweiligen Axiallagers 18 in axialer Richtung verlagert werden kann, um die axiale Einstellbarkeit des jeweiligen Axiallagers 18 bereitzustellen.
Der Lastausgleich bzw. eine gleichmäßige Aufteilung der Axialkraft F_A auf die einzelnen Radachsen 13 wird nach einem Aspekt der Erfindung dadurch bereitgestellt, dass die Axiallager 18 der einzelnen Radachsen 13 hydraulisch gekoppelt sind, zum Beispiel durch eine gekoppelte hydraulische Abstützung.
Ferner kann der Lastausgleich und damit die gleichmäßige Verteilung der Axialkraft F_A auf die Radachsen 13 nach einem weiteren Aspekt der Erfindung durch eine radial frei einstellbare Welle 10 gewährleistet werden, also durch eine freie radiale Einstellbarkeit der Welle 10 zwischen den mehreren Radachsen 13. Dies kann zum Beispiel dadurch bewerkstelligt werden, dass auf eine Radiallagerung der Welle 10 verzichtet wird.
Die Welle 10 ist eine schnell drehende Welle, die und großen Axialkräften ausgesetzte ist. Die Welle 10 dreht mit einer Drehzahl n von mindestens 20.000 U/min. Die Welle 10 ist einer Axialkraft F_A von vorzugsweise mindestens 5.000 N ausgesetzt. Das Drehmoment M, das von der Welle 10 zu übertragen ist, beträgt vorzugsweise mindestens 1.000 Nm.
Bezugszeichenliste

10: Welle
11: Wellenzahnrad
12: Wellenzahnrad
13: Radachse
14: Achsenzahnrad
15: Achsenzahnrad
16: Vorflanke
17: Rückflanke
18: Axiallager
19: Gleitkörper
20: Lagergehäuse

Claims

Anordnung zur Axiallagerung einer Welle (10); mit mindestens zwei zusammen mit der Welle (10) rotierenden, eine Doppelschrägverzahnung ausbildenden Wellenzahnrädern (11, 12); mit mindestens zwei Radachsen (13), wobei jede Radachse (13) jeweils mindestens zwei zusammen mit der jeweiligen Radachse (13) rotierende und mit den Wellenzahnrädern (11, 12) in Eingriff stehende Achszahnräder (14, 15) aufweist, die einen größeren Durchmesser aufweisen als die Wellenzahnräder (11, 12); wobei eine auf die Welle (10) einwirkende Axialkraft über eine Vorflanke (16) eines ersten Wellenzahnrads (11, 12) und die mit demselben in Eingriff stehenden Achszahnräder (14, 15) und über eine Rückflanke (17) eines zweiten Wellenzahnrads (12, 11) und die mit demselben in Eingriff stehenden Achszahnräder (15, 14) auf die Radachsen (13) aufteilbar ist; mit Axiallagern (18) zur Axiallagerung der Radachsen (13) und über die Radachsen (13) zur Axiallagerung der Welle (10), wobei die Axiallager (18) hydraulisch gekoppelt sind, um die auf die Welle (10) einwirkenden Axialkräfte gleichmäßig auf die Radachsen (13) aufzuteilen.
Anordnung zur Axiallagerung einer Welle (10); mit mindestens zwei zusammen mit der Welle (10) rotierenden, eine Doppelschrägverzahnung ausbildenden Wellenzahnrädern (11, 12); mit mindestens zwei Radachsen (13), wobei jede Radachse (13) jeweils mindestens zwei zusammen mit der jeweiligen Radachse (13) rotierende und mit den Wellenzahnrädern (11, 12) in Eingriff stehende Achszahnräder (14, 15) aufweist, die einen größeren Durchmesser aufweisen als die Wellenzahnräder (11, 12); wobei eine auf die Welle (10) einwirkende Axialkraft über eine Vorflanke (16) eines ersten Wellenzahnrads (11, 12) und die mit demselben in Eingriff stehenden Achszahnräder (14, 15) und über eine Rückflanke (17) eines zweiten Wellenzahnrads (12, 11) und die mit demselben in Eingriff stehenden Achszahnräder (15, 14) auf die Radachsen (13) aufteilbar ist; mit Axiallagern (18) zur Axiallagerung der Radachsen (13) und über die Radachsen (13) zur Axiallagerung der Welle (10), wobei die Welle (10) sich radial frei einstellen kann, um die auf die Welle (10) einwirkenden Axialkräfte gleichmäßig auf die Radachsen (13) aufzuteilen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Axiallager (18) als Axialgleitlager ausgebildet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (10) eine schnell drehende und großen Axialkräften ausgesetzte Welle ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (10) mit einer Drehzahl von mindestens 20.000 U/min dreht.
Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (10) einer Axialkraft von mindestens 5.000 N ausgesetzt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung zur Axiallagerung einer Welle (10) eines Prüfstands für Strömungsmaschinen dient.