DE2021156A1

DE2021156A1 - Antifriktionslager

Info

Publication number: DE2021156A1
Application number: DE19702021156
Authority: DE
Inventors: Irwin Arthur Samuel
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1969-10-13
Filing date: 1970-04-30
Publication date: 1971-04-29
Also published as: JPS489855B1; US3645593A; SE349643B; DE2021156C3; GB1269440A; FR2065803A5; CA946451A; DE2021156B2

Description

Antifriktionslager'.

Die Erfindung bezieht sich auf Antifriktionslagerbaugruppen und insbesondere auf eine Wärmeableitungseinrichtung für sich drehende Lagerbaugruppen.

Antifriktionslager und insbesondere Kugellager und Rollenlager, die zur Lagerung von Wellen verwendet werden, werden auch bei höheren Drehzahlen verwendet. Obwohl die Reibung, die während des Betriebs eines derartigen Lagers pro Umdrehung erzeugt wird, gering sein kann, kann durch die hohe Betriebsdrehzahl die Reibungswärme sehr schnell auf einen Wert vergrößert werden, bei dem die Lebensdauer des Lagers verringert wird» Es wurden bereits verschiedene Systeme entwickelt, um diese Wärme zu verringern oder abzuleiten. Die meisten üblicherweise verwendeten Systeme weisen Luftströmungssysterne oder Schmiermittelströmungssysteine auf, mit denen die Wärme mittels einer Ölumlaufströnmng oder einer Luftumlaufströmung oder eines anderen Kühlmittels entfernt werden soll, wobei der Umlauf durch die sich drehende Lagerbaugruppe erfolgt. Wenn die Drehzahlen und die Belastungen derartiger Lager erhöht werden, wird es fortschreitend schwieriger, das Lager dadurch zu kühlen, daß es einer derartigen Kühlmittelströmung ausge-

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setzt

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setzt wird. In vielen Fällen sind derartige Lager ferner nahe bei einer Dichtung angeordnet, die dazu bestimmt ist, eine Strömung in axialer Richtung zu verhindern und dadurch stört diese Dichtung die Möglichkeit, das Lager zu kühlen»

Es wurden verschiedene Versuche unternommen, die Wärmemenge dadurch herabzusetzen, daß man eine Kühlmittelströmung durch das Gehäuse vorsieht, in dem die Lagerbaugruppe angeordnet ist. Von der Wärmemenge, die in einem Antifriktionslager erzeugt wird, strömt jedoch eine größere Menge zum inneren Laufring als zum äußeren Laufring. Ein Abzug der Wärme durch das Gehäuse oder durch den äußeren Laufr ring des Lagersystems erzeugt Unterschiede in der thermischen Ausdehnung und diese Unterschiede beeinträchtigen die geometrischen Lagerparameter, beispielsweise die Abmessungstoleranzen. Der Abzug der Wärme vom inneren Laufring wird dadurch erschwert, daß dieser Laufring sich mit der Welle drehen muß, die diesen Laufring trägt.

Um diese Schwierigkeiten der bisher bekannten Lager zu überwinden, wird erfindungsgemäß bei einer bevorzugten Ausführungäforni ein.von der Welle getragener hohler Mantel bauteil vorgesehen, an dem der innere Laufring der Lagerbaugruppe montiert ist„ Dieser Mantelbauteil ist mit einem Kühlmittel, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist, gefüllt, beispielsweise mit Natrium. Dieser Mantelbauteil erstreckt sich axial längs der Welle zu einer Stelle, die im allgemeinen außerhalb des Gehäuses liegt, an der der radiale Spielraum ausreichend groß ist, um radial sich erstrockende Kühlrippen für die Ableitung der Wärme, die vom Kühlmittel zugeführt wird, aufzunehmen. Um den Wirkungsgrad der Wärmeabführung zu erhöhen, ist das Kühlmittel vorzugsweise in einen dünnwandigen Mantel eingoschlos-

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sen. Die Wandungen sind dick genug gehalten, um eine Dimensions Stabilität während des Betriebs zu gewährleisten, jedoch dünn genug, um eine gute Wärmeleitfähigkeit zu gestatten. Um weiterhin die Kühlkapazität der Vorrichtung zu erhöhen, können die Kühlrippen in ein Kühlmittelbad eingetaucht sein, beispielsweise in ein Ölbad, in ein Wasserbad oder können von Luft oder dergleichen umspült sein.

Bei einer anderen' bevorzugten Ausführungsform kam der innere Laufring eines Antifriktionslagers als ein Teil des äußeren Abschnitts des mit Kühlmittel gefüllten Mantels ausgebildet sein. Bei einer anderen Ausführungsform kann"weiterhin .der innere Laufring oder der äußere Laufring hohl ausgebildet sein und mit Kühlmittel gefüllt sein oder es können beide hohl ausgebildet und mit Kühlmittel gefüllt sein, wobei Kühlrippen vorgesehen sein können, falls dies erwünscht ist, die sich axial oder radial erstrecken.

Es ist also ein Antifriktionslager vorgesehen, bei dem der innere Ring des Lagers in der bevorzugten Ausführungsform an einer hohlen Hülse montiert ist, die ihrerseits an der sich drehenden Welle montiert ist, wobei sich diese Hülse axial längs der Welle erstreckt und in der Art eines Mantels hohl ausgebildet ist» Das Innere ist mit einem wärmeleitfähigen Material, wie beispielsweise Natrium, gefüllt und das axiale Ende der'Hülse, welches vom Lager entfernt angeordnet ist, weist radial nach außen sich erstreckende Kühlrippen auf« Auf diese Weise kann die Wärme, die während der Drehung des Lagers erzeugt wird, vom inneren Ring des Lagers zu einer Stelle abgezogen worden,· wo diese Wärme leicht abgegeben werden kanu.

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Es ist ein Ziel der Erfindung, einen Lageraufbau mit vergrößerter Kühlkapazität zu schaffen«,

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, einen Aufbau für ein Antifriktionslager zu schaffen, der einen von einer Welle getragenen hohlen Mantel aufweist, der mit einem hoehwärmeleitfähigen Kühlmittel gefüllt ist.

Ein spezielles Ziel der Erfindung ist es, ein Antifriktionslagerglied für sich drehende Wellen zu schaffen, wobei dieses Glied derart aufgebaut ist, daß dieses den inneren Laufring des Lagers an einem Ende aufnimmt und wobei dieses Glied die Welle umgibt und sich radial längs dieser Welle um eine Strecke erstreckt, wobei das andere Ende dieses Glieds radial sich erstreckende Kühlrippen aufweist und wobei dieses Glied einen hohlen Innenraum aufweist, der mit einem thermisch hoehleitfähigen Kühlmittel gefüllt ist.

Ein allgemeines Ziel der Erfindung ist es, eine Antifrik— tionslagerbaugruppe für mit hoher Drehzahl sich drehende Wellen zu schaffen, bei der ein hohler Bauteil verwendet wird, der mit einem hochwärmeleitfähigen Kühlmittel gefüllt ist, um die Betriebswärme vom Lager abzuführen

Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der .Erfindung sollen in der folgenden Beschreibung verschiedener Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung erläutert werden. Es zeigen:

Fig_o i eine Teilschnittansicht eines in einem Gehäuse angeordneten Antifrilctionslagers, wobei eine Welle vorgesehen ist, die von dem Wiirmeübcrtragungsbauteil umgeben ist,

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Fig. 2 eine Schnittansicht einer weiteren Ausführungsform des Wärmeübertragungsbauteils, wobei dieser Bauteil als innerer Laufring dient und

Fig. 3 eine Tßilschnittansieht einer weiteren Ausführung sform eines Antifriktionslagers, welches hohle innere und äußere Laufringe aufweist, die mit einem Wärmeübertragungskühlmittel gefüllt sind und die axial sich erstreckende Kühlrippen aufweisen.

In Fig. 1 ist ein Antifriktionskugellager 10 dargestellt, welches in einem Gehäuse 11 angeordnet ist. Das Kugellager 10 besteht aus einem äußeren Laufring 12,einem konzentrischen inneren Laufring 13 und einer Reihe von Antifriktlonswälzelementen 14, die zwischen diesen Laufringen angeordnet sind₀ Ein koaxialer Wärmeübertragungsbauteil 15 ist radial innerhalb des inneren Laufrings 13 angeordnet.

Dieser Bauteil ist dazu bestimmt, eine nicht dargestellte V/θHe zu umgeben, die gegenüber dem Gehäuse 11 drehbar ist und die in ihrer Lage durch das Lager 10 gehalten wird. Der Bauteil 15 wird verwendet, um die durch den Betrieb erzeugte Wärme von dem inneren Laufring 13 des Lagers abzuführen.

Der Bauteil 15 ist an der Welle befestigt und zwar mittels eines Preßsitzes oder mittels einer Verlötung oder mittels anderer Halterungen und dieser Bauteil dreht sich mit der Welle. Der Bauteil 15 ist ein in axialer Richtung langgestreckter Bauteil und weist ein Ende 17 am Lager auf und das andere Ende 18 ist um eine gewünschte Strecke längs der Welle im Abstand von dem zuerst genannten Ende angeordnet. Der innere Durchmesser 19 dieses Bauteils

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liegt an der Welle an, während der äußere Durchmesser bei 21 derart ausgebildet ist, daß hier der innere Ring 13 der Lagerbaugruppe aufgenommen werden kann.

Bei dem'in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der innere Laufring 13 des Lagers zwischen einer Schulter 22 am. äußeren Umfang 20 und einer Halterungsmutter 23 eingespannt, die auf das Ende 17 aufgeschraubt ist.

Der Bauteil 15 ist in der Art eines Mantels ausgebildet und weist innere und äußere, im Abstand voneinander angeordnete Wandungen 24 und 25 auf, wobei der Hohlraum durua Endwandungen 26 und 27 an den axialen Enden 17 und 18 abgeschlossen ist. Der hohle, um den Umfang hexumlaufende Raum 29 zwischen den inneren und äußeren Wandungen 24 und 25 ist mit einem hochleitfähigen Kühlmittel 30 gefüllt, wie beispielsweise mit Natrium« Obwohl Natrium als bevorzugtes Kühlmittel beschrieben wird, sei bemerkt, daß ein anderes flüssiges Kühlmittel oder ein anderes verflüssigbares Kühlmittel, welches hochwärmeleitend ist, verwendet -werden kann.

Die äußere Wandung 25 des Bauteils 15 ist so dünn wie möglich gehalten und zwar unter Berücksichtigung der Betriebsstabilität und der radialen Belastungen. Wenn erforderlich, kann das Ende 17 des Bauteils, welches den inneren Laufring aufnimmt, dicker ausgebildet sein, als der restliche Teil des Bauteils«

Das Ende 18 weist eine Reihe von radial sich erstreckenden Kühlrippen 35 auf, die diesem Bauteil zugeordnet sind, um in wirksamer Weise die Wärme vom Bauteil 15 abzuleiten« Die Kühlrippen können im Abstand voneinander angeordnet sein und die Kühlrippen können in einer Anzahl vorgesehen sein und eine derartige Größe haben, üra die

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boston Ergebnisse zu erzielen. Das Ende 18 ist in einem Abstand vom Ende 17 angeordnet, der ausreicht, um die Kühlrippen 35 an einer Stelle gegenüber dem Lager 13 anzuordnen, an der ein ausreichender Raum vorhanden ist, damit die Wärme von den Rippen abgestrahlt oder abgeleitet werden kann. Die Ableitung der Wärme kann durch Öl, Luft, Wasser oder ein anderes Kühlmittelbad unterstützt werden.

Durch die thermische Leitfähigkeit des Kühlmittels 30 wird die Wärme vom inneren Laufring 13 des Lagers durch die dünnere Außenwandung 25 des Bauteils 15 abgezogen und wird dann zum kühleren Ende 17 des Bauteils geleitet, wo sie über die Rippen 35 abgegeben wird. Auf diese Weise kann das Lager während des Betriebs verhältnismäßig kühl gehalten werden. Von Bedeutung ist hier die Tatsache, daß die Erfindung keinesfalls die Verwendung von normalen Schmiermittel- und/oder Kühlmittelsystemen für die Lagerbaugruppe 10 behindert. Durch die Erfindung werden derartige Systeme vielmehr ergänzt.

Bei der Erfindung sind keine sich bewegenden Teile vorgesehen und ferner ist kein komplizi-erter mechanischer Aufbau erforderlich.

Fig» 2 zeigt eine abgeänderte Ausführungsform 40 des Bauteils 15, wobei dieser Bauteil eine äußere Wandung 25a aufweist, die mit einer Umfangsnut 41 neben dem Ende 1.7a verseilen ist. Diese Nut 41 bildet den inneren Laufring für die Lagerbaugruppe 10a. Auf diese Weise kann die Wärmeableitung durch die Wandung 25a verbessert werden, während gleichzeitig ein halbelastischer innere Laufring gebildet werden kann, falls dies gewünscht ist. Der Bauteil 40 wirkt derart, daß die Wärme im wesentlichen in

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der gleichen Weise abgeführt wird wie beim Bauteil 15„

In Fig_e 3 ist eine weitere abgeänderte Ausführungsform des Lagers dargestellt, wobei diese Aus führung sforra mit Vorteil zusammen mit einer Lagerhalterung verwendet werden kann, die am Ende einer Welle angeordnet ist oder in der Nähe der Außenseite eines Gehäuses. In Fig. 3 ist schematisch das Ende eines Gehäuses 50 veranschaulicht, welches den äußeren Laufring 51 eines AntifriKtionslagers 52 aufnimmt. Das Lnf^r,er 52 trägt eine Welle 53, die in Kontakt mit dem inneren Laufring 54 steht. Da das Lager 52 am Ende 55 des Gehäuses 50 angeordnet ist, Icann es sich axial über dieses Gehäuse hinaus erstrecken.

Die Welle 53 endet bei 56 etwa an der Stelle, wo das Gehäuse endet. Es sei jedoch bemerkt, daß sich die Welle über das Gehäuse hinaus erstrecken kann und daß das Gehäuse die Form eines Lagerbocks haben kann, welches die Witte einer langen Welle trägt.

Sowohl der innere als auch der äußere Lagerring 54 und sind hohl und sind mit einem thermisch hochleitfähigen Kühlmittel 60 gefüllt, wie beispielsweise mit Natrium, Am axialen Ende 61 des Laufrings, der sich über das Gehäuse hinaus erstreckt, ist eine Reihe von axial sich erstreckenden Kühlrippen 63 zur Ableitung der Wärme vorgesehen. Wie bei den bereits beschriebenen Ausführungsforaion unterstützt die thermische Leitfähigkeit des Kühlmittels 60 die Wärmeübertragung von den Laufflächen des Lagers zum Bereich der Rippen, wo die Wärme leicht abgeführt werden kann«

Obwohl in Fig. 3 die Rippen als axial sich erstreckende Hippen dargestellt sind, sei bemerkt, d/.ß sich die Rippen auch radial erstrecken kennen., Beispiel sv/eise können die TO *f if 1 8/1150

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Rippen 63a eine axiale Verlängerung bilden, von der aus sich radiale Rippen nach außen erstrecken. Alternativ können aber auch die Rippen 63b axiaje Verlängerungen sein, von denen aus sich weitere Kühlrippen radial nach innen erstrecken.

Den vorstehenden Ausführungen ist zu entnehmen, daß durch die Erfindung ein Lagerbauglied geschaffen wird, welches hohl ist und welches mit einem hochleitfähigen Kühlmittel gefüllt ist, um die Wärme, die während des Betriebs des Lagers erzeugt wird, von den' Wälzelementen und Laufflächen des Lagers bis zu einer Stelle abzuführen, die im Abstand vom Lager liegt und an der die Wärme leichter abgeführt werden kann.

Die Erfindung wurde unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele erläutert und es sei bemerkt, daß Abänderungen vorgenommen werden können, die im Rahmen der Erfindung liegen.

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

Antifriktionslager, gekennzeichnet durch einen hohlen Bauteil, der dem Lager in wärmeleitender Beziehung zugeordnet ist und zwar wenigstens einem Laufring des Lagers, daß dieser Bauteil im wesentlichen mit einem thermisch leitfähigen Kühlmittel gefüllt ist, daß dieser Bauteil einen Wärmeableitungsabschnitt aufweist, der von dem Laufring im Abstand angeordnet ist, so daß die Wärme, die durch den Betrieb des Lagers erzeugt wird, von diesem Laufring zu dem Wärmeableitungsabschnitt dieses Bauteils abgezogen wird.

Montagebauteil für ein Antifriktionslager, welches einen inneren Laufring aufweist, der eine Welle umgibt und sich mit dieser dreht, gekennzeichnet durch ein Wärmeübertragungsglied, welches am äußeren Durchmesser der Welle montiert ist, um sich mit dieser zu drehen, wobei dieses Wärmeübertragungsglied einen hohlen Innenraum aufweist, de_r ein thermisch hochleitfähiges Kühlmittel enthält und wobei ein axiales Ende dieses Glieds derart ausgebildet ist, daß es den inneren Laufring des Lagers aufnehmen kann, wobei dessen Umfang gegen den Umfang des Laufrings anliegt.

3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das axiale Ende des Wärmeübertragungsglieds, welches von dem Ende entfernt angeordnet ist, das dem inneren Laufring zugeordnet ist, eine Anzahl von Kühlrippen aufweist, die sich radial nach außen von diesem Ende erstrecken.

4ο Bauteil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmeübertragungsgliod verhältnismäßig dünnwandig und hohl, ist und in dor Art oinos Mantels ausgebildet ist,

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eier äußere und innere, im Abstand voneinander angeordnete, axial sich erstreckende Umfangswandungen aufweist, die an den axialen Enden geschlossen sind, wobei das Kühlmittel im wesentlichen den Raum zwischen diesen Wandungen füllt.

5. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das YvärEieübertragungsglied eine derartige äußere Form an dem Ende, welches dem Laufring zugeordnet ist, aufweist, um den inneren Laufring des Lagers im nicht verspannten Zustand aufzunehmen.

6. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das axiale Ende des Wärmeübertragungsglieds, das dem inneren Laufring zugeordnet ist, eine radial äußere Oberfläche aufweist, die derart gebildet ist, daß eine Lauffläche geformt wird.

7. Antifriktionslagerbaugruppe mit konzentrisch im Abstand voneinander angeordneten Laufringen, die gegenüberliegende Lagerflächen haben, wobei eine Anzahl von Wälz- ' elementen zwischen den Laufringen angeordnet ist, die auf den Laufflächen laufen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens einer dieser Lauf- oder Lagerringe hohl ist und im wesentlichen mit einem thermisch hochleitenden Kühlmittel gefüllt ist und daß Kühlrippen diesem Bauteil zugeordnet sind, um die Betriebswärine abzuführen.

8„ Lager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Kühlrippen axial erstrecken»

9« Lager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlrippen radial im Abstand-voneinander angeordnet sind, und sich um den Umfang dor Baugruppe herum erstrecken.

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10. Lager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Rippen radial» erstrecken.

11. Lager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß beide Laufringe hohl sind und im wesentlichen mit einem hochleitenden Kühlmittel gefüllt sind.

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