DE2231839A1

DE2231839A1 - Hydrodynamisches kombiniertes axialund radiallager

Info

Publication number: DE2231839A1
Application number: DE2231839A
Authority: DE
Inventors: Hansulrich Hoerler
Original assignee: BBC Brown Boveri AG Germany; BBC Brown Boveri France SA
Current assignee: BBC Brown Boveri AG Switzerland
Priority date: 1972-06-09
Filing date: 1972-06-29
Publication date: 1973-12-20
Also published as: US3827770A; JPS4943045A; DE2231839C2; DK139317B; JPS5316857B2; IT989019B; FR2226033A5; DK139317C; CH547448A; GB1407570A

Description

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Aktiengesellschaft Brown, Boveri & Cie., Baden (Schweiz)

Hydrodynamisches kombiniertes Axial- und Radialläger

Die Erfindung bezieht sich auf ein hydrodynamisches kombiniertes Axial- und Radiallager für raschumlaufende Wellen, beispeilsweise eines Q?urboladers, dessen Lagerscheibe in einem Gehäuse radial elastisch angeordnet ist, und an der Radial- und Axial-Gleitflächen der Lagerscheine mit Schmiernuten, sowie Keil- und Rastflächen versehen ist.

Es ist eine Axiallagerung mit eingebautem doppelseitigen Axialdruckring als Lagerkörper bekannt, wobei der Axialdruckring im Gehäuse fest eingesetzt ist und die Gleitflächen

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gegen einen an der Welle angeordneten festen Bund und einen zweiten federnd abgestützten Bund anlaufen. Diese Anordnung ermöglicht auf geringem Raum die Aufnahme von Axialkräften in beiden Richtungen und kann daher auch als Wechsellager bezeichnet werden. Die Gleitflächen des Axialdruckringes sind mit Schmiernuten sowie Keil- und Rastflächen ausgerüstet, denen über eine radiale Bohrung, vom Aussenumfang des Axialdruckringes zum Innenumfang, Schmieröl zugeführt wird. Das Schmieröl verteilt sich am Innenumfang nahezu gleichmässig und wird über die Schmiernuten an beiden Gleitflächen zu den Keil- und Rastflächen gefördert. Nach dem Austritt aus den Gleitflächen gelangt es zu einem Oelkühler und wird nach Abkühlung und Reinigung wieder der Lagerstelle zugeführt.

Bei dieser Lagerart tritt als Nachteil die Starrheit des Axialdruckringes im Gehäuse auf,, d.h. die Welle kann nicht um einen geringen Winkel kippen, ohne dass eine einseitige Belastung der Gleitflächen auftritt. Dies hat zur Folge, dass der Schmierspalt an der Abhebestelle zu gross und an der Andruckstelle abgequetscht wird. Damit ist aber eine Beschädigung des Lagers nicht zu verhindern, bzw. die Funktionstüchtigkeit auf einen engen Bereich begrenzt. Ferner ist es nachteilig, dass die axiale federnde Abstützung

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an der Welle erfolgt, denn bei ungleichmässiger Verschiebung des beweglichen Bundes wird die Welle durch eine Unwucht belastet, die auch das Lager stark beeinträchtigt.

Bei wirtschaftlichem Einsatz von Gleitlagern, auch solchen mit axialen und radialen Gleiflächen, treten hohe spezifische Belastungen der GleitC3ä2hea auf und daraus resultieren geringe Schmierspalte dicken deren Tragfähigkeit einerseits durch die Wärxneeinflüsse auf QaLzähigkeit und Lagerform und andererseits schon bei minimalem Kippen der Welle vermindert wird, zumindest aber begrenzt ist. Dabei haben die Oeltemperaturen an den verschiedenen Gleitflächen grossen Einfluss. Beim bekannten Gleitlager der oben angegebenen Bauart wird den beiden Gleitflächen OeI von nahezu gleicher Temperatur zugeführt. Dies ist aber bei Lagern, die mit einer axialen Vorzugsrichtung belastet werden ungünstig, da dann die Gleitfläche der unbelasteten Seite quasi mit Frischöl versorgt -wird. Somit wird die belastete Gleitfläche entweder ungenügend mit Schmieröl versorgt oder man muss die S3 Gleitfläche überdimensionieren und mit zusätzlichem Schmieröl versorgen, wobei,eben ein erhöhter Schmierölverbrauch auftritt.

Durch die ungleichmässige Belastung mit OeI- und Reibungs-Wärme wird der Lagerkörper thermisch verformt und damit aber die Tragfähigkeit der Gleitflächen herabgesetzt.

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Hier setzt nun die vorliegende Erfindung ein, deren Aufgabe es ist, die vorangeführten Nachteile zu vermeiden und ein kombiniertes Radial- und Axiallager der hydrodynamischen Bauart mit radialer Dämpfung zu schaffen, das zum Durchfahren von kritischen Drehzahlen geeignet ist.

Die Lösung dieser Aufgabe ist gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) die Lagerscheibe ist mittels axialen federnden Elementen am Gehäuse elastisch abgestützt,

b) die Lagerscheibe ist in einer Hülse starr angeordnet, wobei die Hülse über einen radial elastischen Abstützring am Gehäuse befestigt ist,

c) die Lagerscheibe läuft in Achsrichtung gegen zwei an der Welle starr befestigte Kammringe auf, die mit axialem Spiel zur Lagerscheibe angeordnet sind,

d) das Schmieröl wird über eine Bohrung in den Schmierspalt des belasteten ersten Axiallagers geführt, wonach es in den Schmierspalt des Radiallagers zwischen die Lauffläche der Welle und der Lagerscheibe gelangt und über das unbelastete zweite Axiallager zwischen dem zweiten Kammring und der Lagerscheibe austritt.

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Die Vorteile der erfindungsgemässen Lösung sind darin zu sehen, dass neben der erhöhten Trag?ähigkeit aufgrund des kühlen Frischöles auch ein verminderter Oelverbrauch erzielt wird. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass die Gleitflächen praktisch in Serie vom Schmieröl durchflossen werden, wobei das aus dem belasteten Axiallager austretende erwärmte Aböl noch eine ausreicheno^Tragfähigkeit im wenig belasteten Radiallager und dem unbelasteten Axiallager am zweiten Kammring gewährleistet,

Darüber hinaus wird durch diese Bauart die stark asymmetrische Temperaturverteilung und somit auch die konische Verwerfung an der Lagerscheibe gänzlich verhindert, da der belasteten Gleitfläche nur Frischöl und den unbelasteten Gleitflächen nur erwärmtes OeI zugeführt wird. Dadurch tritt ein Ausgleich auf, da einerseits die grosse Reibungswärme der belasteten Gleitflächen rasch abgeleitet wird und andererseits an den unbelasteten Gleitflächen, die bisher relativ kühl blieben, die Wärme aufgenommen wird, ohne die Tragfähigkeit zu beeinflussen.

Ein weiterer Vorteil tritt bei Wellen auf, deren Wellenachsen auf Grund von Verformungen während des Betriebes oder Bearbeitungs· toleranzen nicht mehr mit der. vorgesehenen Achse im Gehäuse übereinstimmen, und liegt darin, dass die Gleitflächen der Kammringe und der Welle gegenüber den Gleitflächen der Lager-

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scheibe immer planparallel bleiben. Damit wird aber der relativ geringe Schmierspalt, wie er bei spezifisch hoch belasteten Gleitlagern auftritt, nicht beeinflusst und kann somit die geforderte Tragfähigkeit während jedes Betriebszustandes ^währleisten« Dieser Vorteil kann auch bei Wellen ausgenutzt werden die im Bereich und die kritischen Drehzahlen eines Wellenstranges laufen.

Eine andere Ausführungsform ist dadurch ausgezeichnet, dass die Lagerscheibe in Achsrichtung durch eine Scheibenfeder mit U-Profil am Gehäuse abgestützt ist, wobei der Stützrand einen möglichst kleinen Durchmesser aufweisen soll. Dies bietet den Vorteil, dass die Steifigkeit der Abstützung gegenüber dem Kippmoment klein, gegenüber der Axialkraft aber gross gehalten ist. Die Lagerscheibe kann daher einer Auslenkung der Welle leicht folgen, ohne dass der Schmierspalt des belasteten Axiallagers ungleichmässig wird.

Bei Verwendung einer anderen axialen Abstützung, beispielsweise durch axiale Schraubenfedern, ähnlich einem Kippsegmentlager kann auch eine Reduzierung zwischen Lagerscheibe und den Federn eingesetzt werden, dessen Durchmesser des Stütz- rand( f mindestens an der, an der Lagerscheibe anliegenden Seite nahezu dem Aussendurchmesser des unbelasteten Kammringes entspricht.

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Eine weitere Ausführungsform nach der Erfindung sieht vor, dass der Abstützring, der die Hülse mit dem Gehäuse verbindet, aus konzentrischen mit Schlitzen versehenen Ring- ..· blechen gebildet ist, die an den freien Enden mit Nocken versehen sind. Einer der Vorteile dieser Anordnung ist darin

zu sehen, dass mit einfachen Bauelementen eine im Gehäuse abgestützte, elastische Verbindung, zur Lager scheibe gebildet wird, die sowohl beim Durchfahren der kritischen Drehzahl, als auch beim Kippen der Welle einen Ausgleich zulässt, wobei durch die Eigenschaften der federnden Ringbleche eine Dämpfung bewirkt wird. "

Ferner ist es von Vorteil, dass bei einer elastischen Ab-Stützung der Lagerscheibe am Gehäuse eine durch Kippen der Welle auftretende Ungleichmässigkeit der Massenverteilung unwirksam bleibt, da die ungleiche Massenverteilung wegen der ruhenden Teile keine-Beeinflussung ausübt.

Zum besseren Verständnis wird der Erfindungsgegenstand anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Lagerstelle an einem

Turbolader,
Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1.

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Fig. 1 zeigt im Längsschnitt einen Teil des Gehäuses 2 des Turboladers, in dem eine Lagerstelle der Welle J angeordnet ist. Das Gehäuse 2 1st mit einem Gehäusedeckel 2a und einem Lagerdeckel 2b versehen, die mittels Schraubenbolzen am Gehäuse befestigt sind. Der Lagerdeckel 2b ist mit einer Nase 26 ausgerüstet, an der die Lagerscheibe 1 in Achsrichtung lose anliegt. Ferner ist im Lagerdeckel 2b eine Dichtung 27 untergebracht, die z.B. hier als Beruhrungsdichtung ausgebildet ist, und den Austritt von Schmieröl zwischen Welle 3 und Gehäuse verhindert.

Die Welle JJ ist im Bereich der Lagerstelle dargestellt und mit mehreren Absätzen versehen, wovon einer den Kamm 8 für das Axiallager 4 bildet. Die Lauffläche 9 für das Radiallager 6 schliesst daran an und wird durch den auf den nächsten Absatz aufgeschobenen Kammring 10 begrenzt. Dieser ist mit einem Keil oder einer Feder 11 und der Befestigungsmutter 12 an der Welle J5 fixiert.

Die Lagerscheibe 1 ist in der Hülse 13- eingepresst, wobei die radial elastische Verbindung zum Gehäuse 2 über das Federpaket 14 hergestellt wird, das aus mehreren^ konzentrischen Ringbd&chen 14a mit Nocken 15 an deren freien Enden gebildet ist. Die Nocken 15 werden in Ausnehmungen oder Rücksprünge am Gehäuse 2 eingesetzt, so daa§ eine Drehsicherung für die

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Ringbleche l4a gebildet ist.

Die Lagerscheibe 1 ist mit einer Bohrung 7 versehen, durch die das Schmieröl 22 von der Zuführung 18 zur Gleitfläche 4¹, des im Betrieb belasteten Axiallagers 4 gelangt, und an den Keilflächen 4a ein Druckpolster aufbaut.

An der Innenumfangsflache der Lagerscheibe 1 ist die Gleitfläche 6^f des Radiallagers 6 vorgesehen, das mit der Lauffläche 9 der Welle 3 zusammenarbeitet. Die Gleitfläche 6' ist mit Keilflächen 6a, Rastflächen 6b und Schmiernuten 2a versehen, so dass auch hier ein hydrodynamischerQelpolster im Schmierspalt aufgebaut wird.

An der zweiten Radialfläche der Lagerscheibe 1 ist die während des Betriebszustandes unbelastete Gleitfläche 5* des Axiallagers 5 angeordnet, die ebenso wie die anderen Gleitflächen 4 und 5 mit Keilflächen 5a und Rastflächen 5b, sowie Schmiernuten 21 ausgerüstet ist. Die Gleitfläche 5* des im Betrieb unbelasteten Axiallagers 5 ist, durch den Reduzierring 23 unnschlossen, dessen Innendurchmesser am Stützrand 24 nahezu gleich dem kleinsten Aussendurchmesser des Kammringes 10 ist· Er wird nur soweit vergrössert, dass das Aböl der LagerateIlen ohne Stauung abfliessen kann.

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Der Reduzierring 23 1st mit der anderen Stirnfläche lose an der Lagerscheibe 1 angelegt, wobei der Innendurchmesser an dieser Stirnfläche durch den grössten Aussendurchmesser des Kammringes 10 und den notwendigen Spalt für das Abö'l bestimmt ist. Der Reduzierring 23 weist am Stützrand 24 eine Versetzung auf, in die die U-Profil Scheibenfelder 17 eingreift, Diese Scheibenfeder 17 ist ihrerseits mit einer Eentrierlücke am Gehäuse 2 bzw« Gehäusedeckel 2a in ihrer Lage fixiert.

In Fig. 2 ist ein Querschnitt durch die Lagerstelle dargestellt, wobei für einander entsprechende Teile die gleichen Bezugszeichen wie in Fig. 1 verwendet wurden.

Im Gehäuse 2 sind die konzentrischen, mit einem Schlitz versehenen Ringbleohe.. 14a eingesetzt, die ihrerseits die Hülse 13 elastisch,in radialer Richtung, gegenüber dem Gehäuse 2 abstützen.

In die Hülse 13 ist die Lagerscheibe 1 eingepresst, die den Grundkörper für die in beiden Achsrichtungen wirkenden Axiallager 4,5 und das Radiallager 6 der Welle 3 bildet. An der sichtbaren Gleitfläche 4' sind die Keilflächen 4a und Rastflächen 4b erkennbar, wobei von der Bohrung 7, durch die das Schmieröl 22 zugeführt wird, radiale Schmiernuten 19 zu den QIe it flächen 6* des Radiallagere 6 führen. Dieses 1st

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gleichfalls mit Keilflächen 6a, Rastflächen 6b und Schmiernuten 20 ausgerüstet, um den hydrodynamischen Druck im Schmierspalt aufzubauen·

Zum Zwecke der besseren Uebersicht ist auch die unsichtbare Gleitfläche 5' des im Normalbetrieb unbelasteten Axiallagers 5 dargestellt· Die Keilflächen 5a. und Rastflächen 5b, sowie die Schmiernuten 21 sind mit strichpunktierter Linie eingetragen um sie deutlich von der Kontur des ebenfalls unsichtbaren Reduzierringes 2j5 zu unterscheiden. Diese umschliesst das unbelastete Axiallager 5 vollkommen und ist daher eine Art Scheidewand im Strömungsweg des Schmieröls 22, wie schon in Fig. 1 erkennbar.

Die Funktionsweise des Lagers wird nun anhand der beiden Figuren näher erklärt· Das Schmieröl 22 gelangt über die Zuführung 18 in den Raum 25 und über die Bohrungen 7* die gleich den Keilflächen 4a bis 6a am Umfang angeordnet sind, zum belasteten Axiallager 4. Im Schmierspalt zwischen der Gleitfläche 4' und dem Kamm 8 wird das kalte OeI aufgrund der grossen Reibarbeit, die durch die Axiallast hervorgerufen wird, erwärmUund fliesst über die Keilflächen 4a, die Rastflächen 4b und die Schmiernute 19 der Gleitfläche 6' des Radiallagers 6. zu.

Zwischen der Lauffläche 9 und den Keil- bzw. Rastflächen 6a bzw.

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6b des Radiallagers 6' sind gegenüber dem ersten Lagerteil 4 nur relativ schwache Traglasten vorgesehen, d.h. das bereits erwärmte Schmieröl 22 wird nur wenig weiter erwärmt und verliert seinerseits nichts an Viskosität, die zum Druckaufbau bzw. . zur Tragfähigkeit notwendig ist.

Dieselbe Tatsache gilt für das zweite Axiallager 5, dessen Gleitfläche 5^f .während des Betriebszustandes keine Traglast aufzunehmen hat. Nur beiXaständerung oder beim Auslaufen , ist eine kurzzeitige Belastung dieses Lagers notwendig, wobei aber auch die Traglast am Hauptaxiallager 4 vermindert wird. Dadurch bleibt aber die Oeltemperatur des, die Lager 4 und 6 in Serie durchlaufenden Schmieröls vor dem zweiten Axiallager 5 niedriger als bei Betriebszustand, wodurch wiederum die Tragfähigkeit günstig beeinflusst wird. Hiedurch wird automatisch bei jedem Betriebszustand dem jeweils belasteten Axiallager 4 oder 5 relativ kaltes OeI zugeführt, und damit die spezifische Belastung verbessert. In der Praxis bedeutet dies kleinere Lager und Platzeinsparung, aber ausserdem geringeren SchmieröL-verbrauch. Ferner kann durch die verminderte Oeltemperatur und die gleichmassigere Temperaturvertellung auf weniger warmfestes Material für die Öleitflachen übergegangen werden, so dass sowohl Herstellungs- und Betriebskosten gesenkt werden.

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Es liegt im Rahmen der Erfindung, die Scheibenfeder durch Tellerfedern oder am Umfang verteilt angeordnete Schraubenfedern zu ersetzen, oder das radial elastische Abstützglied im Gehäuse gegen einen hydroelastischen Balg auszutauschen.

In Abweichung von dem gezeigten Ausführungsbeispiel liesse sich das radial elastische Abstützglied 14, 13 im Gehäuse 2 auch aus einem Elastomer bilden, das dem Kippen der Welle in der beschriebenen Weise entgegenkommt·

Ferner ist es möglich den-starren Flansch 2a durch einen federnden Flansch,z.B. aus radialen Blattfedern«zu ersetzen, so dass die im Ausführungsbeispiel gezeigte Scheibenfeder 17 in der Funktionsweise mit der Abstützung vereinigt werden könnte· ·

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Claims

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Patentansprüche

Iy Hydrodynamisches kombiniertes Axial- und Radiallager für raschumlaufende Wellen, beispielsweise eines Turboladers, dessen Lagerscheibe in einem Gehäuse radial elastisch angeordnet ist, und an den radialen Gleitflächen und am axialen Innenumfang der Lagerscheibe mit Schmiernuten sowie Keil-und Rastflächen versehen ist, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

a) die Lagerscheibe (1) ist mittels axialen federnden Elementen (17) am Gehäuse (2) elastisch abgestützt,

b) die Lagerscheibe (1) ist in einer Hülse (13) starr angeordnet, wobei die Hülse (13) über einen radial elastischen Abstützring (14, 14a) am Gehäuse (2) befestigt ist,

c) die Lagerscheibe (1) läuft in Achsrichtung gegen zwei an der Welle (3) starr befestigte Kammringe (8, 10) auf, die mit axialem Spiel zur Lagerscheibe (1) angeordnet sind,

d) das Schmieröl (22) wird über eine Bohrung (7) in den Schmierspalt des belasteten ersten Axiallagers (4, 4¹, 4a, 4b) geführt, wonach es in den Schmierspalt des Radiallagers

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(6, 6¹, 6a, 6b) zwischen Lauffläche (9) der Welle (3) und der Lagerscheibe (1) gelangt und über das unbelastete Axiallager (5, 5¹, 5a, 5b) zwischen dem zweiten Kämmring (10) und der Lagerscheibe (1) austritt.
2. Kombiniertes Axial- und Radiallager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerscheibe (1) in Achsrichtung durch Tellerfedern am Gehäuse (2) abgestützt ist.
3. Kombiniertes Axial- und Radiallager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerscheibe (1) in Achsrichtung durch eine Scheibenfeder mit U-Profil (17) am Gehäuse (2) abgestützt ist.
4. Kombiniertes Axial- und Radiallager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstützring (14, 14a) durch einen hydroelastischen Ausgleichsring gebildet ist.
5. Kombiniertes Axial- und Radiallager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstützring (14, 14a, 15). aus konzentrischen mit einem Schlitz (16) versehenen Ringblechen (14a) gebildet ist, die an den freien Enden mit Nocken (15) ausgerüstet sind,'die im Gehäuse (2) in Ausnehmungen (25) eingesetzt sind./

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6. Kombiniertes Axial- und Radiallager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lagerscheibe (1) und den am Gehäuse (2) abgestützten axialen Federelementen (17) ein Reduzierring (23) eingesetzt ist, dessen kleinster, Innendurchmesser (ύ 23) am Stützränd (24) an der am Federelement (17) befestigten Seite nahezu dem kleinsten Aussendurchmesser («5 10) des unbelasteten Kammringes (10) entspricht.

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