DE2649939C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Hochgeschwindigkeits-Radialzylinderrollenager nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Der Eingriff zwischen der Stirnfläche der Lagerrolle mit der Stirnfläche des zugeordneten Laufringbordes führt zu einer erheblichen Verringerung der Lebensdauer und der Vorherbestimmbarkeit der Lebensdauer derartiger Rollenlager. Herstelltoleranzen bewirken, daß die Rollenlager innerhalb der Laufbahn der Innen- und Außenlaufringe so weit schräggestellt werden, daß ein Linienkontakt zwischen der Stirnfläche der Lagerrolle und der Oberkante des Laufringbordes auftritt. Ein derartiger Linienkontakt schwankt mit den Herstelltoleranzen und führt dazu, daß die Lebensdauer des Lagers nicht vorhersagbar ist. Insbesondere bei Rollenlagern mit extrem hoher Drehzahl, wie dies beispielsweise bei einem Einsatz auf der Hauptwelle von Gasturbinen der Fall ist, ist dieses Problem von ausschlaggebender Bedeutung. Eine derartige Abnutzung des Rollenlagers bewirkt, daß die Steuerung des Rollenlagers verlorengeht, daß Ermüdungserscheinungen in dem zur Trennung benachbarter Rollenlager verwendeten Zwischenstück auftreten, daß ein verstärktes Rutschen der Rolle auf dem Laufring auftritt, und daß schließlich das gesamte Lager zerstört wird.

Aus der FR-PS 5 67 872 ist ein Rollenlager mit nach einer Rotationsfläche sich verjüngenden Endstücken der Rollen bekannt, die einen Außenlaufring und einen mit zwei Laufringborden versehenen Innenlaufring aufweisen, bei denen die Laufringborde eine ebene, schräge Anlauffläche besitzen, und die eine vertiefte Laufbahn zur Aufnahme der Zylinderrollen festlegen, deren Stirnflächen mit dem jeweiligen zugeordneten Laufringbord einen von der Kontaktstelle ausgehenden, sich keilförmig radial nach außen öffnenden Raum bilden. Bei einem derartigen Rollenlager ist die Kontaktstelle zwischen den beiden miteinander in Eingriff stehenden Flächen etwa mit dem Endpunkt der zylindrischen Mantelfläche des Zylinders zusammenfallend und in unmittelbarer Nähe einer Schmiermittelnut liegend ausgebildet. Hierbei sind jedoch das Problem der hydrodynamischen Schmierung wie auch der Schrägstellung der Lagerrollen nicht angesprochen, und die Kontaktstelle zwischen Laufringbord und Stirnseite der Lagerrolle ist auf den Bereich größten Durchmessers der Rollenstirnfläche festgelegt.

Ein ähnliches Rollenlager ist aus der US-PS 38 27 771 bekannt, bei der die Anlauffläche der Laufringborde vorzugsweise kegelförmig ausgebildet ist. Hierbei sind keine Schmiermittelnuten dargestellt; es ist jedoch zum Ausdruck gebracht, daß geeignete Schmiermittelbedingungen sich bei den jeweiligen Lagerausbildungen ergeben.

Aus der DE-OS 21 54 836 ist ein Ring-Tonnenlager bekannt, bei dem die Umfangsfläche der Wälzkörper und/oder ihrer Laufbahnen mit einem solchen Radius gewölbt sind, daß die entlang der Umfangsfläche verteilte Radiallast die Endkanten der Wälzkörper erst bei einer bestimmten, verhältnismäßig großen Axiallast belastet. Hierzu sollen die Flansche der Laufringe und/oder der Stirnflächen der Wälzkörper so gewölbt werden, daß die Spannung im Berührungspunkt klein gehalten wird und gleichzeitig die zusammenwirkenden Gleitflächen durch einen hydrodynamischen Druckaufbau eines Schmiermittels getrennt gehalten werden.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, ein gattungsgemäßes Lager so weiter zu entwickeln, daß eine wesentlich höhere Lebensdauer des Lagers dadurch erzielt und die Lebensdauer besser dadurch vorherbestimmt werden kann, daß die Abnutzung der Stirnflächen der Lagerrollen wesentlich verringert und steuerbar gemacht wird und daß der durch hohen Verschleiß der Stirnflächen der Lagerrollen zu erwartende Lagerausfall vermieden werden kann. Hierzu soll sichergestellt werden, daß die Kontaktstelle zwischen Stirnfläche der Lagerrollen und Stirnfläche der zugeordneten Laufringborde auf eine einzige Stelle bzw. einen einzigen elliptischen Bereich reduziert wird, und daß ein ausreichend langer Schmiermittelkeil für die Ausbildung einer hydrodynamischen Schmierung erzielt wird.

Gemäß der Erfindung wird dies mit den Merkmalen des Kennzeichens des Anspruches 1 erreicht. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Mit einem derartig ausgebildeten Rollenlager wird das insbesondere bei Hochgeschwindigkeitsturbinen bestehende schwierige Problem des zu hohen Verschleißes der Stirnflächen der Lagerrollen und des dadurch bedingten Lagerausfalls gelöst. Im praktischen Einsatz bei Hochgeschwindigkeitsturbinen wurde festgestellt, daß wesentlich bessere Verschleißwerte als mit bekannten, herkömmlichen Lagern erzielt werden konnten.

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Teilschnittansicht eines Hochgeschwindigkeits-Radialzylinderrollenlagers nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Schnittansicht eines Ausschnittes des Innenlaufringes und der Rollenstirnfläche in vergrößertem Maßstab,

Fig. 3 eine Teilansicht der Kante der Lagerrolle in gegenüber Fig. 2 nochmals vergrößerter Darstellung,

Fig. 4 eine Aufsicht auf das Rollenlager und die Innenlaufbahn, nach Fig. 1,

Fig. 5 eine Endansicht des Rollenlagers und der Innenlaufbahn,

Fig. 6 eine Ansicht ähnlich der nach Fig. 2, wobei die Lagerrolle in ihrer normalen, schräggestellten Lage gezeigt ist,

Fig. 7 eine Ansicht ähnlich der nach Fig. 6, jedoch einer bekannten Anordnung,

Fig. 8 eine Teilschnittansicht von Laufringbord und Lagerrolle einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 9 eine Teilaufsicht auf das Rollenlager und den Laufring nach Fig. 8,

Fig. 10 eine Endansicht des Rollenlagers und des Laufringes nach Fig. 8,

Fig. 11 eine Ansicht ähnlich der nach Fig. 8, in der die Lagerrolle in der normalen, schräggestellten Lage gezeigt ist, und

Fig. 12 eine Ansicht ähnlich der nach Fig. 11, jedoch einer bekannten Anordnung.

In der Zeichnung, und insbes. in den Fig. 1-6 ist ein Radialzylinderrollenlager 13 dargestellt, das einen kreisförmigen Innenlaufring 14 und einen kreisförmigen, konzentrisch dazu angeordneten Außenlaufring 15, eine Vielzahl von zylindrischen, zwischen den Laufringen 14 und 15 angeordneten Lagerrollen 16 und einen Abstandshalter 18, der die einzelnen Lagerrollen an den konzentrischen Innen- und Außenlaufringen im Abstand hält, aufweist. Der Außenlaufring 15 besitzt einen aufrechten Laufringbord 20, der Innenlaufring 14 zwei entgegengesetzt angeordnete Laufringborde 22, die eine vertiefte Laufbahnfläche 24 dazwischen ausbilden.

Jede Lagerrolle 16 weist eine in axialer Richtung verlaufende zylindrische Oberfläche 26 einer Breite, die etwas kleiner als die Breite der Laufbahn 24 ist, und gegenüberliegende Rollenstirnflächen 28, die etwa senkrecht zur Laufbahn 24 verlaufen, auf. Die Schnittstellen einer jeden Stirnfläche 28 mit der zylindrischen Oberfläche 26 bilden eine weichgerundete Kante 30, wie in Fig. 3 dargestellt. Die Laufringborde 22 auf dem Innenlaufring 14 haben eine Höhe, die wesentlich kleiner als der Radius der zylindrischen Lagerrolle 16 ist.

Jeder Laufringbord 22 besitzt eine Anlauffläche 32, die in Eingriff mit der benachbarten Stirnfläche 28 der Lagerrolle steht. Die Anlauffläche 32 ist konvex geformt, vorzugsweise ballig mit einem Krümmungsradius, der verhältnismäßig groß im Vergleich zum Durchmesser der Lagerrolle 16 ist. Vorzugsweise ist die Anlauffläche 32 mit einem Krümmungsradius zwischen etwa 7,5 und 50 cm, insbes. 12,5 cm ausgeführt. Die Konfiguration der Anlauffläche 32 vermindert den Verschleiß an der Stirnfläche 28 der Lagerrolle 16 aufgrund des keilförmigen Raumes 34 zwischen dem oberen Abschnitt der Anlauffläche 32 und der Stirnfläche 28 erheblich.

Im Betrieb ist das gesamte Rollenlager in herkömmlicher Weise in einem Schmiermittelbad angeordnet. Die Lagerrollen 16 laufen in der Laufbahn 24, der Abstandshalter 18 wirkt in der Weise, daß er die einzelnen Rollen am Umfang der koaxialen Laufringe im Abstand anordnet. Wegen des Unterschiedes zwischen der axialen Breite der Laufbahn 24 und der etwas kleineren Breite der Lagerrollen 16 nimmt jede Rolle 16 eine leicht schräggestellte Position (wie in Fig. 4 dargestellt) ein, wobei die Lagerrolle in einem Schräglaufwinkel α relativ zur durch Pfeil 36 in Fig. 4 gezeigten Bewegungsrichtung angeordnet ist. Die konvexe Krümmung der Anlauffläche 32 beeinflußt auch den Schräglaufwinkel α. Als Ergebnis der Schrägstellung befindet sich die führende Kontaktstelle 40 in Bewegungsrichtung einer jeden Lagerrolle 16 zwischen einer der Stirnflächen 28 und der benachbarten Anlauffläche 32 einer der Laufbahnen. Die konvexe Krümmung der Anlauffläche 32 gewährleistet eine einwandfreie Schmierung an der Kontaktstelle 40. Insbesondere wird der Krümmungsradius R _f der Anlauffläche 32 so bestimmt, daß die Kontaktstelle 40 um eine Strecke x, vorzugsweise ein Drittel der Höhe der Anlauffläche 32 unter der Außenkante 37 der Anlauffläche und vorzugsweise innerhalb der äußeren, gerundeten Kante 30 des Lagers in einem Radius R _c liegt, wie dies in den Fig. 5 und 6 dargestellt ist. Durch eine solche Krümmung der Anlauffläche 32 ist nach den folgenden Formeln gewährleistet, daß der keilförmige Raum 34 zwischen der Stirnfläche 28 und der konvexen Anlauffläche 32 aufrechterhalten wird:

Hierbei gilt:

wobei

R _f = Krümmungsradius der Oberfläche 32 R _i = innerer Krümmungsradius des Laufringes 14 R _o = äußerer Krümmungsradius des Laufringes 14 R _r = Radius des Lagers 16 R _c = Radius der Kontaktstelle 40 χ = Abstand von der oberen Erstreckung des Laufringbordes 22 zur Kontaktstelle 40 α = Schräglaufwinkel W _r = Breite der Rolle 16 W _b = Breite der Laufbahn 24

Der keilförmige Raum 34 ist so ausgebildet, daß die augenblickliche Relativgeschwindigkeit der Rollenstirnfläche 28 zur konvexen Anlauffläche 32 in einer durch Pfeil 38 in Fig. 5 dargestellten Richtung verläuft. Entsprechend weist die augenblickliche Relativgeschwindigkeit in der Nähe des Raumes 34 eine nach abwärts gerichtete Komponente auf, derart, daß die Drehung der zylindrischen Lagerrolle 16 Schmiermittel in den keilförmigen Raum hinein und gegen die Kontaktstelle 40 drückt. Weil der Raum 34 gegen die Kontaktstelle 40 konvergiert, wird Schmiermittel nach innen auf die Kontaktstelle gerichtet, so daß ein hydrodynamischer Schmiermittelfilm zwischen der Lageroberfläche 28 und der benachbarten konvexen Anlauffläche 32 während des gesamten Betriebes des Rollenlagers aufgebaut und aufrechterhalten wird.

Die verbesserte Arbeitsweise nach vorliegender Erfindung läßt sich durch Vergleich der Fig. 6 mit der eine bekannte Anordnung darstellenden Fig. 7 einwandfrei erkennen. Wie sich aus Fig. 7 ergibt, bewirkt die Schrägstellung einer Lagerrolle 16, daß die Rollenstirnfläche entweder unmittelbar oder mittelbar die äußere Kante 42 eines benachbarten, aufrechten Stirnflansches auf der Laufbahn berührt. Aufgrund des Kontaktes mit dieser äußeren Kante wird kein keilförmiger Raum, der dem Raum 34 entspricht, erzielt. Eine Drehung der Rolle 16 bewirkt dann, daß die Stirnfläche die Kontaktstelle trocken reibt, wodurch ein nachteiliger Metall-Metall-Kontakt gefördert wird. Es ist bekannt, daß dieses Problem dadurch zu lösen versucht wurde, daß eine abgekantete Kontaktfläche auf dem Stirnflansch ähnlich der abgekanteten Fläche 44 auf dem Außenlaufring 15 der Fig. 1 vorgesehen wurde; dadurch wurde jedoch das Verschleißproblem nicht behoben, weil die Rolle aufgrund ihrer anfänglichen Herstelltoleranzen und/oder eines nachfolgenden Verschleißes letztlich mit dieser äußeren Kante 42 in Kontakt kommt und dadurch den Metall-Metall-Kontakt unterstützt. Es ist auch praktisch nicht durchführbar, eine Überhöhung am Ende einer Stirnfläche 28 der Lagerrolle mit genügend kleinem Krümmungsradius auszubilden, damit ein keilförmiger Raum über der Kontaktstelle mit einer ebenen Anlauffläche aufrechterhalten wird.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 8-11 dargestellt. Bei dieser Anordnung ist die Rollenstirnfläche 46 ballig anstatt eben, wie im Falle der Stirnfläche 28 nach Fig. 1, ausgeführt. Eine leichte Überhöhung der Stirnfläche 46 verbessert ferner die Lebensdauer der Rolle, da nunmehr zwei konvexe Flächen in Eingriff miteinander stehen. Dadurch ist die Kontaktstelle ein verhältnismäßig großer, elliptisch geformter Bereich 48. Wie in der vorbeschriebenen Ausführungsform ist die Rollenstirnfläche 32 konvex ausgebildet und hat einen vorbestimmten Krümmungsradius, damit der gewünschte keilförmige Raum 34 oberhalb der Kontaktstelle 48 erzielt wird, derart, daß die augenblickliche Relativgeschwindigkeit der zylindrischen Lagerrolle bewirkt, daß ein Schmiermittelfluß nach innen gegen die Kontaktstelle 48 gerichtet wird, während die Rolle auf der Innenlaufbahn abrollt. Dadurch wird der hydrodynamische Schmiermittelfilm zwischen der Stirnfläche 46 und der benachbarten konvexen Anlauffläche 42 an der Kontaktstelle 48 erzeugt. Im Vergleich zu der bekannten Anordnung nach Fig. 12, bei der eine konvexe Stirnfläche 46 der zylindrischen Lagerrolle vorgesehen ist, die gegen eine ebene, nicht konvexe Anlauffläche einer Laufbahn wirkt, tritt der gleiche Nachteil auf. Die Rollenstirnfläche steht mittelbar oder unmittelbar in Kontakt mit der Anlauffläche 42 der Laufbahn und bewirkt, daß ein Schmiermittelfilm weggewischt und damit der Metall-Metall-Kontakt gefördert wird.

Hieraus ergibt sich, daß mit vorliegender Erfindung eine Verringerung des Verschleißes zwischen der Stirnfläche einer Lagerrolle 16 und der benachbarten Anlauffläche 32 eines Stirnflansches auf dem Laufring erzielt wird, bei welchem der nach innen konvergierende keilförmige Raum 34 zwischen der Stirnfläche und der Anlauffläche aufgebaut wird. Der keilförmige Raum wird während der Rollbewegung des Lagers dadurch aufrechterhalten, daß die Kontaktstelle innerhalb der Außenkante der Anlauffläche 32 gehalten wird; er wird dadurch ausgebildet, daß die Anlauffläche 32 die gewünschte konvexe Form erhält. Ein hydrodynamischer Schmiermittelfilm wird an der Kontaktstelle dadurch erzielt, daß die Lagerrolle zwangsweise auf dem Laufring so abrollt, daß die augenblickliche Relativgeschwindigkeit zwischen der Stirnfläche 28 und der Anlauffläche 32 in der Nähe des keilförmigen Raumes 34 eine nach innen gerichtete Komponente aufweist, aufgrund der die Rollbewegung der Lagerrolle das Schmiermittel gegen die Kontaktstelle drückt.

Claims (3)

1. Hochgeschwindigkeits-Radialzylinderrollenlager mit einem Außenlaufring (15) und einem mit zwei Laufringborden (22) versehenen Innenlaufring (14), dessen Laufringborde (22) mit einer konvexen zur Stirnseite der Zylinderrollen (16) weisenden Anlauffläche (32) versehen sind, die eine vertiefte Laufbahn zur Aufnahme der Zylinderrollen festlegen, deren Stirnflächen (28) nach einer Rotationsfläche eben bzw. leicht ballig ausgebildet sind, wobei zwischen jedem Laufringbord (22) und der zugeordneten Stirnfläche (28) jeder Lagerrolle (16) ein von der Kontaktstelle ausgehender sich keilförmig radial nach außen öffnender Raum (34) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die Kontaktstelle zwischen Rollenstirnfläche (28) und Anlaufbord (22) etwa auf zwei Drittel der Höhe des Anlaufbordes (22) liegt,
• b) zur Erzwingung einer Schrägstellung der Rollen (16) die wirksame Weite der durch die Anlaufborde (22) begrenzten vertieften Laufbahn (24) des Innenringes (14) in an sich bekannter Weise etwas größer ist als die wirksame Länge der Zylinderrollen (16),
• c) daß der sich nach außen öffnende Raum ein keilförmiger Bereich (34) zwischen der Stirnfläche (28) und der konvexen Anlauffläche (32) mit einem Krümmungsradius der Formel ist: wobeiR _f = Krümmungsradius der Anlauffläche 32 R _i = innerer Krümmungsradius des Laufringes 14 R _o = äußerer Krümmungsradius des Laufringes 14 R _r = Radius der Lagerrolle 16 R _c = Radius der Kontaktstelle 40 χ= Abstand von der oberen Erstreckung des Laufringbordes 22 zur Kontaktstelle 40 α= SchräglaufwinkelW _r = Breite der Rolle 16 W _b = Breite der Laufbahn 24und
• d) daß die Größe K gegeben ist durch wobeiR _f = Krümmungsradius der Oberfläche 32 R _i = innerer Krümmungsradius des Laufringes 14 R _o = äußerer Krümmungsradius des Laufringes 14 R _r = Radius des Lagers 16 R _c = Radius zur Stelle des Kontaktes 40 χ= Abstand von der oberen Erstreckung des Flansches 22 zur Stelle des Kontaktes 40 α= SchrägwinkelW _r = Breite der Rolle 16 W _b = Breite der Laufbahn 24.

2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenbereiche der zylindrischen Oberfläche (26) mit den Stirnflächen (28) der Lagerrollen (16) weich gerundete Kanten (30) sind.

3. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexe Anlauffläche (32) kreisförmig mit einem Krümmungsradius zwischen etwa 7,5 und 50 cm, vorzugsweise 12,5 cm, ausgebildet ist.