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Die Erfindung betrifft ein Wellenlager, bei dem ein Wellenstück bzw.
Spurring eines Rotors auf einem im Lagerkörper ruhenden Kranz von Lagersegmenten
gleitet, wobei in Abhängigkeit von der Drehrichtung des Rotors die Lagersegmente
so unterstützt sind, daß die jeweilige resultierende Stützkraft stets im Feld der
jeweils ablaufenden Kante des Lagersegments angreift.
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Bei bekannten Lagern werden die Lagersegmente auf einem in Bewegungsrichtung
des Rotors etwas hinter der Mitte des Lagersegments liegenden Stützelement im Lagerkörper
kippbar gelagert, wodurch die günstigste Ausbildung des Schmierfilms mit entsprechend
kleiner Lägerreibung (Flüssigkeitsreibung) erreicht werden kann. Wird ein solches
Wellenlager in der anderen Drehrichtung betrieben, so ist die Lagerreibung relativ
groß..Wird aber die Stützstelle des Lagersegments in dessen Mitte verlegt, so besteht
für beide Drehrichtungen eine größere Lagerreibung. Der größeren Lagerreibung entsprechend
muß eine größere Wärmeleistung nach außen abgeführt werden, woraus ein schlechterer
Gesamtwirkungsgrad resultiert. Zudem muß auch der Ölkühler, unter Umständen sogar
die Gleitfläche, vergrößert werden.
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Ein Wellenlager, bei dem diese Nachteile vermieden werden sollen,
ist aus der USA.-Patentschrift 1437 788 bekannt. Dort ist ein Lagersegment gezeigt,
das schräge Unterkanten aufweist und über an diesen angreifende Rollen im Lagerkörper
gelagert ist. Wird das Lagersegment in Umfangsrichtung des Lagers verschoben, so
läuft die eine schräge Fläche auf ihre Rolle auf, . .die -andere schräge Fläche
von ihrer Rolle ab, wodurch sich die gewünschte Neigung und unter dem Einfluß des
Schmierfilms auch die gewünschte Verschiebung der resultierenden Stützkraft ergeben
soll. Diese bekannten Wellenlager haben jedoch den Nachteil, daß die Rollen an den
Stellen, an denen sie auf den Flächen des Lagersegments und Lagerkörpers aufliegen,
Vertiefungen in diesen Flächen bilden. Die zwischen den rollenartigen Stützelementen
und dem Lagersegment bzw. Lagerkörper vorhandenen Bewegungswiderstände sind dann
so groß, daß die an der Gleitfläche zwischen Rotor und Lagersegment auftretenden
Reibungskräfte nicht ausreichen, das Lagersegment beim Wechseln der Drehrichtung
zu verschieben.
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Im deutschen Patent 1201621 ist schon ein Wellenlager vorgeschlagen
worden, bei dem die einzelnen Lagersegmente von einer Vielzahl von in radialen Reihen
angeordneten Federkörpern (Federsäulen) unterstützt sind, wobei jeweils die Federreihe
unter der ablaufenden Kante durch Anheben an das Lagersegment wirksam angelegt,
die Federreihe unter der auflaufenden Kante durch Absenken außer Wirkung gebracht
ist.
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Dabei geht es offensichtlich darum, das durch die Vielzahl gleichartiger
Federkörper gebildete Federnfeld, auf dem das Lagersegment ruht, in Umfangsrichtung
so zu verlagern, daß die Resultierende des Federnfeldes im Feld der jeweils ablaufenden
Kante des Lagersegments angreift. Die Federn der angehobenen, unter der ablaufenden
Kante liegende Federreihe stehen unter den gleichen Bedingungen und haben die gleiche
Aufgabe wie die übrigen Federn des Federnfeldes, die abgesenkten Federn der unter
der ablaufenden Kante liegenden Federreihe sind außer Wirkung. Die Lagerung auf
Federn ist aber aufwendig und für die Aufnahme großer Lagerkräfte nur bedingt geeignet.
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Der Erfindung liegt ebenfalls die Aufgabe zugrunde, eine den jeweiligen
Erfordernissen entsprechende Neigung der Lagersegmente zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird bei einem Wellenlager der eingangs beschriebenen
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß für jedes Lagersegment ein an sich bekanntes,
zwischen Lagersegment und Lagerkörper angeordnetes, in seiner Höhe festes Stützelement
vorgesehen ist, das ein Neigen des Lagersegments unter dem Einfluß de'' Schmierfilms
erlaubt, und daß außer diesem Stützelement mindestens ein von einer DruckmitteIquelle
beaufschlagbarer hydraulischer Stellmotor zur zusätzlichen Beeinflussung der Neigung
zwischen Lagersegment und Lagerkörper vorgesehen ist.
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Die Erfindung ermöglicht es, das starre, kippbar im Lagerkörper gelagerte
Stützelement, d. h. dieses robuste, altbewährte, für die Übertragung größter Lasten
geeignete Stützelement, beizubehalten. Das durch dieses Stützelement getragene Lagersegment
stellt sich, insbesondere wenn das Stützelement in der Mitte des Lagersegments angeordnet
ist, in jeder der beiden Drehrichtungen selbsttätig in eine die Reibung vermindernde
Neigung zum Rotor ein. Diese Neigung wird durch den einen bzw. zwei zusätzliche,
von einer Druckmittelquelle beaufschlagbare Stellmotoren so weit korrigiert, bis
sie den Wert erreicht, bei dem kleinste Reibungsverluste für die jeweilige Drehrichtung
des Wellenlagers vorliegen.
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Eine besonders betriebssichere, d.-h. selbsttätige Umsteuerung ist
dadurch erreichbar, daß als DruckmitteIquelle für den Stellmotor der zwischen dem
Wellenstück bzw. Spurring des Rotors und dem Lagersegment befindliche Schmierfilm
dient, wobei von einer in Umfangsrichtung des Lagers auf der dem Stellmotor zugeordneten
Seite liegenden Stelle der Gleitfläche des Lagersegments ein Kanal für Schmiermittel
zum= Stellmotor führt.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
vereinfacht dargestellt.
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F i g. 1 und 2 zeigen je einen in Umfangsrichtung geführten achsparallelen
Schnitt durch ein Lagersegment zweier bekannter Axiallager; F i g. 3 bis 6 zeigen
entsprechende Schnitte durch zwei Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes,
jeweils für beide Drehrichtungen; F i g. 7 zeigt einen Schnitt durch einen Stellmotor,
F i g. 8 bis 12 Schnitte durch weitere Ausführungsformen, und F i g. 13 und 14 zeigen
achssenkrechte Schnitte durch Radiallager.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen
Bezugszeichen versehen.
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Der Rotor des in F i g. 1 dargestellten bekannten Axiallagers weist
einen mit der nichtgezeichneten Welle rotierenden Spurring 1 auf, der auf einem
im Lagerkörper 21 ruhenden Kranz von Lagersegmenten 3 gleitet, von denen nur eines
gezeichnet ist. Das Lagersegment 3 weist ein mit ihm fest verbundenes Stützelement
4 auf, das an einer Stützstelle 5 die vom Lagersegment 3 aufgenommene Kraft auf
den Lagerkörper 21 überträgt. Das Stützelement 4 ist in seiner Höhe starr und mit
Spiel von einem Lagerkörperoberteil 22 umgeben, so daß es um die Stützstelle 5 kippbar
ist. Die Stützstelle 5 liegt in der mit V bezeichneten Bewegungsrichtung des Spurrings
1 gesehen
um den Betrag e hinter der Mitte des Lagersegments 3.
Bei dem in F i g. 2 dargestellten bekannten Lager liegt die Stützstelle 5 genau
in der Mitte des Lagersegments 3. Diese bekannten Lager haben die genannten Nachteile.
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Bei dem in F i g. 3 und 4 gezeigten erfindungsgemäßen Wellenlager
ist für jedes Lagersegment 3 ein an sich bekanntes, zwischen Lagersegment 3 und
Lagerkörper 2 angeordnetes, in seiner Höhe festes Stützelement 4 vorgesehen, das
ein Neigen des Lagersegments unter dem Einfluß des Schmierfilms erlaubt. Außer diesem
Stützelement 4 sind zwei von einer Druckmittelquelle beaufschlagbare hydraulische
Stellmotoren 61, 62 zur zusätzlichen Beeinflussung der Neigung zwischen Lagersegment
3 und Lagerkörper 2 vorgesehen.
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Dabei sind im Lagersegment 3 Zylinderräume 71 und 72 ausgespart, in
denen sich die Kolben bildenden Unterteile 8 der Stellmotoren 61 und 62 bewegen
können, wobei Dichtungen 9 den Spalt zwischen Zylinderwand und Unterteil 8 dichten.
Die Zylinderräume 71 und 72 sind über Kanäle 101 bzw. 102 und voneinander
getrennte Zuleitungen an eine nicht gezeigte Druckölquelle anschließbar.
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Bei dem in F i g. 3 gezeigten Zustand bewegt sich der Spurring 1 in
der Richtung V, und der Zylinderraum 71 ist mit Drucköl beaufschlagt. Dabei wird
der Druck im Zylinderraum 71 gerade so groß gewählt, daß die vom Unterteil 8 übertragene
Stützkraft P1 und die vom Stützelement 4 übertragene Stützkraft Po eine um den Betrag
e. von der Mitte des Lagersegments 3 entfernte resultierende Kraft Pv haben.
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Bei dem in F i g. 4 gezeigten Zustand ist der Zylinderraum 72 mit
Drucköl beaufschlagt und der Stellmotor 62 überträgt eine Stützkraft P2, wobei die
resultierende Kraft PR wieder um den Betrag e von der Mitte des Lagersegments entfernt
ist, aber auf der der resultierenden Kraft PV entgegengesetzten Seite.
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Die Druckölquelle weist natürlich eine Vorrichtung zum Konstanthalten
des gewählten Druckes und eine Druckspeichervorrichtung auf.
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Das Lagersegment 3 wird sich also unter dem Einfluß des Schmierfilms
so einstellen, wie wenn es durch ein einzelnes, die resultierende Kraft Pv bzw.
PR übertragendes, kippbares, in seiner Höhe starres Stützelement abgestützt wäre.
Auf diese Weise hat das Wellenlager in beiden Drehrichtungen V und R gleich kleinen
Reibungswiderstand wie das bekannte Lager nach F i g. 1 in der einen gezeigten Drehrichtung.
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Durch Ändern des Druckes der Druckmittelquelle kann die Lage der resultierenden
Kraft Pv bzw. PR, d. h. der Betrag e, verändert werden. Damit kann noch während
des Betriebes der mit dem Lager ausgerüsteten Maschine die Stützstelle, beispielsweise
an Hand von Messungen der Lageröltemperaturen, an die rechnerisch nie genau erfaßbare
günstigste Stelle verlegt werden. Damit sind mit dem Lager in beiden Drehrichtungen
bessere Ergebnisse erreichbar als mit den bekannten Wellenlagern.
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Bei dem in F i g. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das
in seiner Höhe starre Stützelement 4 um den Betrag e von der Mitte des Lagersegments
3 entfernt, so daß bei der in F i g. 5 dargestellten mit V bezeichneten Bewegungsrichtung
des Spurrings 1 die Abstützung durch das starre Stützelement 4 allein genügt. Für
die andere, in F i g. 6 gezeigte Bewegungsrichtung R des Spurrings 1 ist
ein Stellmotor 6 auf der dem Stützelement 4 entgegengesetzten Seite des Lagersegments
3 nahe dem Ende des Lagersegments angeordnet. Der Zylinderraum 7 des Stellmotors
6 ist unter Druck gesetzt, so daß die vom Unterteil 8 übertragene Stützkraft P und
die vom Stützelement 4 übertragene Stützkraft Po eine um den Betrag e von
der Mitte des Lagersegments 3 entfernte resultierende Kraft PR haben.
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Die in F i g. 7 dargestellte Ausführungsform eines Stellmotors 6 ist
sehr einfach aufgebaut. Dieser Stellmotor läßt sich auch nachträglich in schon fertiggestellte
Lager einbauen. Er weist einen Zylinderkörper 11 und einen mit einer Dichtung 9
versehenen kolbenartigen Unterteil 8 auf. Das Spiel zwischen dem Zylinderkörper
11 und dem Unterteil 8 ist so gewählt, daß bei den auftretenden Neigungsunterschieden
zwischen Zylinderkörper 11 und Unterteil 8
die gegenseitige Bewegung
dieser Teile nicht behindert ist. Der Unterteil 8 weist einen zylindrischen
Ansatz 12 auf; der in eine Eindrehung 13 im Lagerkörper 21 paßt, und ist mit dem
Lagerkörper 21 mittels einer Verschraubung 14 fest verbunden. Vom Zylinderraum 7
des Zylinderkörpers 11 führt ein gegenüber seiner Umgebung öldichter Kanal
10 durch den Unterteil 8 und den Lagerkörper 21 und weiter zur Druckölquelle.
Das Drucköl könnte auch mittels eines durch den Zylinderkörper 11 führenden
Kanals zugeführt werden, wie in F i g. 9 gezeigt ist. An Stelle von Drucköl kann
auch ein anderes Druckmittel, beispielsweise Luft, verwendet werden.
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Das Lagersegment 3 des Lagers nach F i g. 8 ruht auf einem elastisch
verbiegbaren, in seiner Höhe aber starren Stützelement 4 und weist außerdem die
wechselweise mit Druckflüssigkeit beaufschlagbaren Stellmotoren 61 und 62 auf.
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Bei dem in F i g. 9 dargestellten Lager ist das starre Stützelement
4 auf _ einer federnden Platte 19 im Lagerkörper 21 gelagert.
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Die Lagersegmente 3 nach F i g. 10 weisen gegenüber der Mitte ihrer
Gleitfläche in Umfangsrichtung um den Betrag e versetzte kippbare, in ihrer Höhe
starre Stützelemente 4 auf. Die Stellmotoren 6 sind zwischen zwei einander zugewandten
Flächen 20 und 21 jeweils benachbarter Lagersegmente 3 eingebaut. Die Flächen 20
weisen nach dem Lagerkörper hin, so daß die Stellmotoren 6 die mit der Fläche 20
versehenen Enden der Lagersegmente 3 heben können. Der vom Stellmotor 6 ausgeübten
hebenden Kraft P entspricht eine gleich große, die mit der Fläche 21 versehenen
Enden der Lagersegmente 3 hinunterdrükkende Kraft P, so daß auf jedes Lagersegment
3 bei Beaufschlagung der Stellmotoren 6 mit Druckflüssig keit ein das Lagersegment
neigendes Kräftepaar P, P einwirkt, so daß die resultierende Kraft PR um den Betrag
e gegenüber der Mitte der Gleitfläche des Lagersegments 3 versetzt und dem starren
Stützelement 4 gegenüberliegend auftritt.
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Das in F i g. 11 dargestellte Lager entspricht in der Anordnung und
Ausbildung der Stützelemente und Stellmotoren der Ausführungsform nach F i g. 3.
Die zur Beaufschlagung der Stellmotoren 61 und 62 benötigte Druckölquelle aber ist
der Ölfilm der Gleitfläche des Lagersegments 3. Von den Stellen des jeweiligen Druckmaximums
des Ölfilms führt ein Kanal 251 bzw. 252 nach unten zu dem auf der gleichen Seite
wie das betreffende Druckmaximum liegenden Stellmotor 61 bzw. 62. Die Druckverteilung
des Schmierfilms ist in der Zeichnung für die Drehrichtung
R durch
die Linie 262 angedeutet. Der Stellmotor 62 steht unter einem dem Druckmaximum entsprechenden
Druck p2, der Stellmotor 61 aber unter einem wesentlich kleineren Druck p1. Die
Zylinderdurchmesser der beiden gleich großen Stellmotoren 61 und 62 sind so gewählt,
daß die von den Stellmotoren ausgeübten Kräfte P, und P2 mit der Stützkraft Po des
starren Stützelementes 4 eine resultierende Kraft PR haben, die um den Betrag e
außer der Mitte der Gleitfläche des Lagersegments liegt. Die Einstellung des Lagersegments
nach F i g. 11 erfolgt automatisch; bei Umkehren der Drehrichtung wandert das Druckmaximum
und mit ihm die resultierende Kraft auf die andere Seite des Lagersegments (Druckverteilungslinie
261).
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Durch Verlegen des Kanals 251 bzw. 252 an eine Stelle anderen Schmierfilmdruckes
oder Vorsehen anderer Zylinderdurchmesser der Stellmotoren kann die Neigung des
Lagersegments auch nachträglich noch geändert werden.
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Die Lagersegmente 3 nach F i g. 12 haben ein in der Mitte liegendes
kippbares, in seiner Höhe starres Stützelement 4 und an ihren beiden Enden
je eine Nut 27. Die einander zugewandten Nuten 27 zweier benachbarter Lagersegmente
3 nehmen einen in der Ruhelage waagerecht liegenden Stützbalken 28 auf, der mit
einem zu ihm senkrechten Hebel 29 verbunden ist. Durch Bewegen des freien Endes
30 des Hebels 29 in Umfangsrichtung des Lagers kann der Stützbalken aus seiner waagerechten
Lage gebracht werden, wodurch er das Ende des einen Lagersegments nach oben, des
anderen Lagersegments nach unten drückt. Alle Enden 30 müssen in die der Drehrichtung
des Spurrings 1 entgegengesetzte Richtung gedrückt werden, so daß sie alle an einen
gemeinsamen Verstellring angeschlossen werden können, wobei kleinere Abmessungsunterschiede
durch mehr öder weniger großes elastisches Durchbiegen der Hebel 29 ausgeglichen
werden. In der Zeichnung dagegen ist für jeden Hebel 29 ein eigener Stellmotor 31
vorgesehen.
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Die in F i g. 13 und 14 dargestellten Lager sind den in F i g. 11
bzw. 5, 6 dargestellten Axiallagern entsprechende Radiallager. Ebenso lassen sich
auch die übrigen am Beispiel eines Axiallagers gezeigten Ausführungsformen auf Radiallager
übertragen. Bei den gezeigten Radiallagern sind zwischen dem Lagerkörper 21 und
dem starren Stützelement 4 Distanzbleche 39 eingefügt, um den Abstand der Lagersegmente
3 von der Gleitfläche der Welle 40 einstellen zu können.
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Tritt beim Vorwärtslauf nicht dieselbe Belastung der Segmente 3 wie
beim Rückwärtslauf auf, werden die Druckflächen der Stellmotoren 61 und 62 und/oder
der Druck des Steuermediums entsprechend unterschiedlich gewählt.