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Die Erfindung betrifft ein Gleitlager mit einem zur Aufnahme einer
zylindrischen Welle dienenden, feststehenden ringförmigen äußeren Lagerteil, dessen
Lagerfläche in Schnittebenen senkrecht zur Lagerachse angenähert die Form einer
sich über 360° erstreckenden Spirale besitzt, die an einer Stufe beginnt und endet,
derart, daß der Lagerspalt in Drehrichtung gesehen an der Stufe abrupt von seinem
kleinsten Wert auf seinen größten Wert ansteigt und dann über seinen ganzen Umfang
bis zu dem vor der Stufe liegenden Bereich maximaler Lagerbelastung fortschreitend
keilförmig abnimmt, wobei ein Einlaß für das durch die rotierende Welle mitgenommene
und an den Lagerenden axial austretende Schmiermittel im Bereich der Spalterweiterung
hinter der Stufe vorgesehen ist.
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Derartige Gleitlager sind bekannt. Diese können dabei aus zwei schalenförmigen
Lagerhälften bestehen, deren jede eine Bohrung von spiralförmigem Querschnitt aufweist
und die in einem Gehäuse gegeneinander versetzt angeordnet sind. Die Stufe oder
Stufen in der Lagerfläche befindet sich dabei iij der Grenzebene, in welcher die
beiden Lagerhälften aneinandergrenzen.
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Weiterhin ist es bei Gleitlagern bekannt, zur Entlastung der Lagerfläche
während des Anlaufens und Abbremsens der Welle Öl unter Druck im Bereich der engsten
Stelle des Lagerspaltes einzudrücken, um die Welle anzuheben. Es ist auch bekannt,
das dem Gleitlager zugeführte und durch die rotierende Welle mitgenommene Schmieröl
unmittelbar vor der Zuführungsstelle für Frischöl aus dem Lagerspalt abzuleiten,
um eine Vermischung des erwärmten Öls mit dem kühlen Frischöl zu vermeiden.
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Normalerweise wird bei Gleitlagern der eingangs genannten Gattung
das Schmieröl an den axialen Enden des Lager- und Schmierspaltes austreten. Es ist
aber auch schon ein Lager bekannt, bei dem der Lagerspalt in axialer Richtung an
seinen Enden durch Ringdichtungen und ebenso in Umfangsrichtung durch sich über
die axiale Länge der Lagerfläche erstreckende Lippendichtungen so abgeschlossen
ist, daß das Schmieröl über einen Zuführungskanal aus einem Vorratsbehälter durch
Schwerkraft in die Einlaufseite' des Belastungsbereiches des Lagerspaltes einläuft,
durch die Welle mitgenommen wird und mit dem durch die Mitnahme erhöhten Druck über
eine durch Ventil einstellbare Drosselstelle wieder in den Vorratsbehälter zurückbefördert
werden kann. Durch entsprechende Drosselung des als Hahn ausgebildeten Ventils werden
der Druck und die Dicke der tragenden Schmiermittelschicht eingestellt. Die Rückförderleitung
ist an der Einmündungsstelle in den Behälter gegen dessen Inhalt durch ein überdruckventil
gesichert, um die gewünschte Richtung des Schmierölkreislaufes zwangläufig aufrechtzuerhalten.
Lagerfläche und Wellenoberfläche sind konzentrische zylindrische Flächen, so daß
auch der Spalt im wesentlichen zylindrisch ist und in dem Belastungsbereich auch
bei Annäherung der Teile im wesentlichen zylindrisch bleibt. Hierbei kann eine Annäherung
der Teile praktisch zu keiner Druckzunahme des Öls führen, wie dies bei Gleitlagern
mit spiraligem Verlauf der Gleitflächen der Fall ist. Es liegen daher wesentlich
andere Verhältnisse vor.
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Diese bekannte Gleitlagerausbildung mit Regelung des Schmiermittelumlaufes
durch ein einstellbares Drosselventil läßt sich darüber hinaus nur bei allseitig
geschlossenem Lastbereich des Lagerspaltes anwenden, nicht bei Lagern mit Austritt
des Schmiermittels an den Lagerenden.
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Bei einem Lager mit spiralförmiger Lagerfläche führt bekanntlich jede
radiale Relativbewegung zwischen Welle und Lagerfläche zu einer Änderung der Form
des keilförmigen Lagerspaltes in der Belastungszone. Diese Formänderungen haben
erhebliche Druckänderungen in dieser Zone zur Folge. Bei einer Annäherung der Teile
erfährt der Druck einen raschen, mehr oder weniger abrupten Anstieg. Der erhöhte
Druck ist bestrebt, die Welle von der Belastungszone der Lagerfläche wegzudrücken.
Der damit einhergehende rasche Druckabfall führt darauf wieder zu einer schnellen
Spaltverengung usw.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einem Gleitlager der eingangs näher
bezeichneten Art, bei dem der in Umfangsrichtung geschlossene, zu den Lagerenden
hin jedoch offene Lagerspalt in Umfangsrichtung zur Belastungszone hin forschreitend
keilförmig abnimmt und damit Teil eines offenen Schmiermittelkreislaufes bildet,
dafür Sorge zu tragen, unstabile Verhältnisse weitgehend zu vermeiden und die dafür
maßgeblichen, durch die relativen radialen Bewegungen der Teile verursachten starken
und plötzlichen Druckanstiege auszuschalten.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in dem
Spaltbereich vor der Stufe Sammelnuten vorgesehen sind, welche zu den Austrittsspalten
an den Lagerenden parallel verlaufen und über einen Entlastungskanal und ein einstellbares
Rückschlagventil mit dem Schmiermittelsumpf in Verbindung stehen. Durch die neue
Ausbildung wird die Funktion des offenen Schmiermittelkreislaufes durch den keilförmigen
Spalt nicht beeinträchtigt, da die Ölzufuhr ebenso wie der axiale Abfluß über die
Lagerenden nicht beeinflußt werden. Vielmehr erfolgt eine kurzzeitige Druckentlastung
ausschließlich in dem durch die Lage und die Ausdehnung der Sammelnuten bestimmten,
eng begrenzten Spaltbereich, der in Drehrichtung vor der Stufe liegt und im wesentlichen
der Belastungszone entspricht. Außerdem findet die Entlastung in diesem Bereich
nur statt, wenn der Druck des Öles in den Sammelnuten einen vorbestimmten Wert überschreitet,
was in aller Regel nur der Fall bei starker Annäherung von Welle und Lagerfläche
in der Belastungszone ist.
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Der Ansprechwert des zur Druckentlastung dienenden Rückschlagventils
bestimmt den oberen Grenzwert des Druckes in den Sammelnuten. Durch entsprechende
Ausbildung und Anordnung dieser Nuten, bezogen auf die axiale Ausdehnung der Belastungszone
der Lagerfläche, kann dafür gesorgt werden, daß in den Bereichen zwischen den Nuten
bzw. zwischen diesen und den Lagerenden ein Druck herrscht, 'der um einen vorbestimmten
Betrag über dem Ansprechwert des Rückschlagventils liegt. Damit wird durch die Einstellung
des Rückschlagventils auch der höchste Druckwert bestimmt, der an einer Stelle der
Belastungszone überhaupt auftreten kann. Damit wird der Höchstdruck, der bestrebt
ist, die Welle plötzlich von der Belastungszone radial wegzudrücken und damit Anlaß
für das instabile Verhalten der Lagerverhältnisse ist, wirksam auf einen zulässigen
Wert begrenzt, bei dem instabile Verhältnisse nicht auftreten können.
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Vorteilhafterweise sind zwei parallele und in Umfangsrichtung verlaufende
schmale Sammelnuten vorgesehen,
die in gleichen Abständen von der
Lagermitte, vorzugsweise auch in gleichen Abständen voneinander und von den Enden
der wirksamen Lagerfläche, angeordnet sind. Die Stufe ist zweckmäßigerweise in einem
Winkelabstand von 30 bis 70°, vorzugsweise 50°, von der Wirkrichtung.der maximalen
Last angeordnet. Dadurch wird ein in Drehrichtung der Welle großer Abstand der ölzuführungsstelle
von der Belastungszone erhalten und andererseits gewährleistet, daß die Druckverhältnisse
in dieser Zone nicht von der Ölzuführungsstelle beeinflußt werden, was die Steuerung
des Druckes mit Hilfe des Rückschlagventils beeinträchtigen würde.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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F i g. 1 ist eine Seitenansicht der einen Lagerhälfte eines Gleitlagers
nach der Erfindung und läßt die Innenfläche der Lagerhälfte erkennen; F i g. 2 zeigt
im Querschnitt das Lager nach F i g. 1 in seiner richtigen Einbaulage in einem Lagergehäuse
sowie das dem Lager zugeordnete Rückschlagventil.
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In den Figuren ist die in dem Gleitlager abzustützende zylindrische
Welle nicht gezeigt. Das Gleitlager umfaßt einen die Welle aufnehmenden, feststehenden
ringförmigen äußeren Lagerteil, der im dargestellten Beispiel aus zwei im wesentlichen
halbzylindrischen, zusammen den Ring bildenden Teilen 2 und 3 besteht, die im folgenden
als die obere bzw. die untere Lagerhälfte bezeichnet werden. Beide Lagerhälften
sind in einem äußeren Gehäuse 73 aufgenommen.
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Die Trennflächen 6 und 7 der beiden Lagerhälften liegen in einer gemeinsamen
Ebene, die auch die Symmetrieachse enthält und unter 40° gegenüber der Waagerechten
geneigt ist.
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Die beiden Lagerhälften 2 und 3 besitzen jeweils eine halbzylindrische
Lagerfläche. Die beiden halbzylindrischen Lagerflächen weisen jedoch verschiedene
Krümmungsradien auf. Der Krümmungsradius der Lagerfläche der oberen Lagerhälfte
ist größer als derjenige der Lagerfläche der unteren Lagerhälfte. Dies hat zur Folge,
daß die vollständige Lagerfläche des äußeren Lagergliedes im Querschnitt im wesentlichen
die Form einer sich über 360° erstreckenden Spirale aufweist, die an einer Stufe
11 beginnt und endet, welche durch die untere Lagerhälfte 3 an der Trennfläche 6
gebildet wird.
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Auf eine noch näher zu erläuternde Weise wird dem Lager in der Strömungsrichtung
unmittelbar hinter der Stufe 11, die im dargestellten Beispiel etwa 50° hinter der
tiefsten Lagerstelle liegt, Drucköl zugeführt. Die im Uhrzeigersinn erfolgende Umdrehung
der Welle bewirkt, daß das Öl innerhalb des Spaltes zwischen der Welle und dem äußeren
Lagerteil im Uhrzeigersinn herumbewegt wird, wobei der Lagerspalt fortlaufend enger
wird, bis ein Kleinstwert unmittelbar vor der Stufe erreicht wird. Das Öl besitzt
außerdem eine Geschwindigkeitskomponente in der Längsrichtung des Lagers und entweicht
an den Enden des Lagers. Das Ausmaß der Versetzung der Symmetrieachsen der beiden
teilzylindrischen Lagerflächen gegeneinander muß groß genug gewählt werden, damit
die Welle unter stabilen Bedingungen läuft.
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Gemäß F i g. 2 weisen die oberen und unteren Lagerhälften 2 und 3
Stahlstützschalen mit Auskleidungen 19 bzw. 20 auf, die aus Weißmetall bestehen
und die eigentlichen Lagerflächen bilden.
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In der Lagerfläche der unteren-Lagerhälfte 3 sind zwei verhältnismäßig
tiefe, sich in der Umfangsrichtung erstreckende, parallele Sammelnuten 21 und 22
ausgebildet, die in der Strömungsrichtung um 85° hinter der der Stufe diametral
gegenüberliegenden Trennfläche 7 beginnen und um 20° vor der Stufe 11 enden. Der
Eingang zu den Nuten ist tangential zu der benachbarten Lagerfläche ausgebildet,
während die Nuten am entgegengesetzten Ende verhältnismäßig abrupt enden. Die beiden
Nuten sind über die axiale Länge der wirksamen Lagerfläche in Abständen angeordnet,
die einer Unterteilung der Lagerfläche in drei Abschnitte gleicher Länge entspricht.
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Die Nuten 21 und 22 sind durch einen gemeinsamen Kanal 23 miteinander
verbunden, der einen Teil einer Bohrung 24 bildet, welche sich in der Längsrichtung
des Lagers innerhalb des unteren Lagergliedes 3 erstreckt; die Bohrung 23 ist an
ihrem äußeren Ende mittels eines Stopfens 25 verschlossen.
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In der Mitte zwischen den beiden Nuten liegt ein gemeinsamer Entnahmekanal
26, der von dem gemeinsamen Kanal 23 durch die untere Lagerhälfte 3 nach
außen führt.
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Um zu verhindern, daß unter Druck stehendes Öl
aus dem gemeinsamen
Entnahmekanal 26 längs der Außenfläche der unteren Lagerschale 3 entweicht
und so einen Druck auf diese Fläche ausübt, ist diese Außenfläche mit einer kreisrunden
Nut 29 versehen, welche gleichachsig mit dem gemeinsamen Entnahmekanal angeordnet
und über zwei parallele Nuten 30 und 31, welche die kreisrunde Nut 29 tangential
schneiden, mit der Atmosphäre in Verbinddung steht.
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In der Strömungsrichtung etwa 20° hinter der Trennfläche 6 sind in
der oberen Lagerhälfte 2 mehrere in Umfangsrichtung schräge Bohrungen 34 vorgesehen,
die außen in einer erweiterten Ausnehmung 32 münden. Diese Bohrungen enden im Lagerinneren
in einem sich nahezu über die ganze axiale Länge der Lagerfläche erstreckenden Verteilerkanal,
der an der Schulter 11 in einem Austrittsschlitz 43 mündet.
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In der Mitte der Längsachse des Lagers ist eine Nut 44 ausgebildet,
die sich über einen Teil des Umfangs der Lagerfläche der oberen Lagerhälfte 2 erstreckt
und den mittleren Kanal 34 der frei parallelen Kanäle sowie die mittleren Teile
des gemein= Samen ölverteilerkanals 36 und des ölzuführungsschlitzes 43 schneidet.
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In der Längsrichtung verlaufende Nuten 47 und 48 auf der Außenfläche
der"oberen Lagerhälfte 2 dienen zur Abführung von Lecköl.
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Aus F i g. 1. ist ersichtlich, daß bei der Betrachtung im Längsschnitt
jede der Lagerhälfte 2 und 3 an ihren beiden Enden jeweils ein nach außen gekrümmter
Abschnitt 51 bzw. 52 vorgesehen ist.
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Das Öl wird der Ausnehmung 32 und von dort aus der Lagerfläche
in der oben beschriebenen Weise durch eine ölzuführungsöffnung 78 in dem Gehäuse
73 zugeführt.
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Der gemeinsame Entnahmekanal 26, der mit den Sammelnuten 21 und 22
in Verbindung steht, ist außerdem über einen Kanal 79 in dem Gehäuse 73 mit einem
Rückschlagventil verbunden, das in einem Ventilaggregat 85 angeordnet ist. Dieses
weist ein einstellbares Rückschlagventil 86 zum Regeln des Öldruckes in den Nuten
21 und 22 des Lagers während
des normalen Betriebs sowie
hier weiter nicht interessierende Regel- bzw. Steuermittel zum Zuführen von Hochdrucköl
zu den Nuten 21 und 22 während des Anfahrens und des Stillsetzens
zum Zwecke des Anhebens der Welle mit Hilfe eines Ölfilms auf.
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Im dargestellten Beispiel ist der Kanal 79 in dem Gehäuse
73 an eine Bohrung 87 des Ventilaggregates 85 angeschlossen.
Während des normalen Betriebes steht die Bohrung 87 über die Unterseite eines
federleichten Ventilkolbens 88 mit einer weiteren Bohrung 89 in Verbindung,
die durch eine normalerweise freie Öffnung 90 über eine Querbohrung
91 mit der Unterseite des Rückschlagventils 86 verbunden ist. Die
Bohrung 91 kann bei 93 mit einem Druckmeßgerät verbunden werden. Das einstellbare
Rückschlagventil 86 steuert die Verbindung der Querbohrung 91 mit
einem zum Ölsumpf führenden Entlastungskanal 97.
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Während die Welle im Uhrzeigersinn umläuft, wird unter Druck stehendes
Öl dem Lager über den Ölzuführungsschlitz 43 zugeführt. Das Öl wird innerhalb
des ringförmigen Spaltes zwischen der Welle und dem äußeren Lagerteil mitgenommen.
Der fortlaufend kleiner werdende Querschnitt des Lagerspaltes bewirkt, daß sich
eine erwünschte Verteilung des Öles einstellt.
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Das Öl entweicht aus dem Lager an dessen beiden Enden, und
bei richtiger Konstruktion fließt das Öl über die Flächen der Wehre 51 und 52 zu
Sammelringen 53 und 54 ab. Der Öldruck ist über die Länge des ölzuführungsschlitzes
43 im wesentlichen konstant.
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Nimmt man für den Augenblick an, daß der gemeinsame Entnahmekanal
26 geschlossen ist, so kann man die allgemeine Verteilung des Öldrucks abschätzen,
der sich unter diesen Bedingungen an anderen Punkten längs des Umfanges des Lagers
einstellen würde, die gegenüber dem ölzuführungsschlitz 43
unter einem bestimmten
Winkel versetzt sind. Allgemein gesprochen wird der Öldruck einen Maximalwert an
Punkten annehmen, die in der Mittelebene des Lagers liegen; ferner wird der Öldruck
bei einer bestimmten Winkellage des betrachteten Punktes von seinem Maximalwert
an einem Punkt in dieser Mittelebene allmählich auf einen Minimalwert an den Enden
des eigentlichen Lagers abnehmen. Dieses allgemeine Ergebnis folgt aus der Tatsache,
daß das Öl von der Mittelebene des Lagers aus in Richtung auf die Enden des Lagers
entweicht. Außerdem wird der Öldruck innerhalb des die Welle umgebenden Lagerspaltes
an einem bestimmten Querschnitt des Lagers in Abhängigkeit von der Winkellage des
betrachteten Punktes variieren, und er wird allgemein um so höher werden, je enger
der Lagerspalt wird.
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Bei der beschriebenen Konstruktion wird die soeben beschriebene Verteilung
des Öldrucks während des normalen Betriebs des Lagers durch das Vorhandensein der
Sammelnuten 21 und 22 verändert; wie bereits erwähnt, stehen diese
Nuten über den gemeinsamen Entnahmekanal 26 und das einstellbare Ventil
86 des Ventilaggregats mit dem Ölsumpf in Verbindung. Wie erwähnt entspricht
der Abstand zwischen den beiden Sammelnuten einem Drittel der axialen Länge der
eigentlichen Lagerfläche. Der Öldruck innerhalb der Nuten 21 und
22 wird daher bei einer gegebenen Einstellung des Ventils 86 auf einem
vorbestimmten Wert gehalten. Dadurch wird der öldruck an Punkten entlang der axialen
Erstreckung des Lagers, welche die gleiche Winkellage besitzen, so abgeändert, daß
sich ein drei Abschnitte umfassendes öldruckverteilungsdiagramm ergibt.
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In einer gegebenen Winkellage werden somit drei Höchstwerte des Öldrucks
vorhanden sein, und diese Höchstwerte liegen jeweils in der Mitte zwischen jeweils
einer Nut 21, 22 und dem nächstgelegenen Ende der Lagerfläche sowie in der
Mitte zwischen den beiden Nuten. Geht man von einem Ende der eigentlichen Lagerfläche
aus, wird somit der Öldruck stetig auf einen Maximalwert ansteigen, und zwar über
eine Strecke, deren Länge einem. Sechstel der Länge der Lagerfläche entspricht,
und danach wird der Öldruck stetig auf einen Kleinstwert zurückgehen, der sich an
der zuerst erreichten der beiden Nuten 21 und 22 einstellt. Hierauf
erhöht sich der Öldruck erneut auf einen Höchstwert in der Mittelebene des Lagers,
und der Verlauf des Öldrucks ist an beiden Enden des Lagers symmetrisch.
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Durch Verstellen des überdruckventiles 86 lassen sich die kleinsten
Werte des Öldrucks, d. h. der Druck innerhalb der Nuten 21 und
22, einstellen. Mit dieser Einstellung sind auch die Höchstwerte des Druckes
automatisch bestimmt.
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Durch Ändern der Einstellung des Ventiles 86
kann man somit
den Flächeninhalt des öldruckverteilungsdiagramms variieren. Hieraus ergibt sich,
daß sich beim Verstellen des Ventils 86 die Größe der auf die Welle aufgebrachten
parasitären Last ändert.
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Die auf das Vorhandensein der Nuten 21 und 22
sowie des
überdruckventils 86 zurückzuführende, oben beschriebene Änderung der öldruckverteilung
beschränkt sich hauptsächlich auf denjenigen Abschnitt des Schmierspaltes, der zwischen
der Welle und der unteren Lagerhälfte 3 liegt. Die Öldruckverteilung innerhalb der
oberen Hälfte des Lagerspaltes dürfte durch die Nuten im wesentlichen unbeeinflußt
bleiben, so daß eine nicht abgeänderte Druckverteilung der weiter obenerwähnten
Art gegeben ist.