DE3722408A1 - LOW FRICTION RADIAL BEARING - Google Patents

LOW FRICTION RADIAL BEARING

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DE3722408A1
DE3722408A1 DE19873722408 DE3722408A DE3722408A1 DE 3722408 A1 DE3722408 A1 DE 3722408A1 DE 19873722408 DE19873722408 DE 19873722408 DE 3722408 A DE3722408 A DE 3722408A DE 3722408 A1 DE3722408 A1 DE 3722408A1
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Abstract

A rolling bearing for a high-speed gas turbine engine comprises support segments (28) between each rolling element (10). Each segment is provided with an end surface (30) having an upstream end (32) and a downstream end (34) which confronts a rolling element (10) and is spaced therefrom by an amount which reduces from a maximum at the upstream end to a minimum at the downstream end. End members restrict the axial movement of the elements (10). The end portion of each element (10) is divided into alternately sloping and flat segments to form an air support cushion with the confronting face of the respective end member. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Radialwälzlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a radial roller bearing according to the Preamble of claim 1.

Dabei geht es insbesondere um die Verringerung der Reibung eines solchen Radialwälzlagers, das zwischen zwei koaxialen, gegensinnig zueinander umlaufenden Bauteilen angeordnet ist.It is particularly about reducing the Friction of such a radial roller bearing that between two coaxial components rotating in opposite directions to each other is arranged.

Bei Gasturbinentriebwerken ist es häufig notwendig, ein Lager zwischen zwei oder mehr mit hoher Drehzahl gegen­ sinnig relativ zueinander umlaufenden Wellen anzuordnen. Die sehr hohen Drehzahlen, unter welchen das Lager arbeiten muß, führen dabei zu einem beträchtlichen Maß an Reibung und folglich zu einer erheblichen Wärmeentwicklung, die sowohl im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit als auch im Hinblick auf die Lebensdauer des Lagers ungünstig ist.In gas turbine engines, it is often necessary a bearing between two or more at high speed against sensibly to arrange relative rotating waves. The very high speeds at which the bearings work must lead to a considerable amount of friction and consequently to a considerable amount of heat which in terms of both performance and Is unfavorable with regard to the life of the bearing.

Es hat sich nun gezeigt, daß unter gewissen Bedingungen die hohen Drehzahlen von zwischen gegenläufig umlaufenden Bauteilen eingesetzten Wälzlagern dazu ausgenutzt werden können, die Luft im Bereich der Wälzkörper des Lagers so stark zu komprimieren, daß sich ein Luftpolster aufbaut, auf welchem die Wälzkörper abgestützt werden.It has now been shown that under certain conditions the high speeds of between counter-rotating Components used rolling bearings are used for this can, the air in the area of the rolling elements of the bearing  compress so much that an air cushion builds up, on which the rolling elements are supported.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter Aus­ nutzung der eben erläuterten Erkenntnis ein Radialwälzlager zu schaffen, das mit einer gegenüber herkömmlichen Lagern beträchtlich geringeren Reibung arbeitet.The invention is based, from use of the knowledge just explained a radial roller bearing to create that with a conventional bearing considerably less friction works.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete Radialwälzlager gelöst.This object is achieved according to the invention by the Radial roller bearings marked claim 1 solved.

Die Erfindung hat also ein Wälzlager zum Gegenstand, bei welchem die Wälzkörper durch einen Spalt von ihren Stütz­ elementen getrennt sind, in welchem durch den Umlauf der Wälzkörper ein diese schützendes Luftpolster aufgebaut wird.The invention thus relates to a rolling bearing which the rolling elements through a gap from their support elements are separated, in which the circulation of the Rolling a protective air cushion is built up.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise mehr im einzelnen beschrieben. In den Zeichnungen zeigt:The invention is described below with reference to the attached drawings, for example, in more detail described. In the drawings:

Fig. 1 im Axialhalbschnitt ein Rollenlager nach der Erfindung, Fig. 1 in the axial half-section a roller bearing according to the invention,

Fig. 2 einen Querschnitt in der Ebene A-A in Fig. 1, Fig. 2 shows a cross section in the plane AA in Fig. 1,

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie B-B in Fig. 2, Fig. 3 is a section along the line BB in Fig. 2,

Fig. 4 einen Schnitt in der Ebene C-C in Fig. 1, Fig. 4 is a sectional view in the plane CC in Fig. 1,

Fig. 5 einen Schnitt längs der Linie D-D in Fig. 4, und Fig. 5 is a section along the line DD in Fig. 4, and

Fig. 6 einen Schnitt in der Ebene E-E in Fig. 2. Fig. 6 is a section in the plane EE in Fig. 2.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Radialwälzlager ist eine Anzahl von Wälzkörpern in Form von Rollen 10 umfangsmäßig zwischen einem inneren Lagerlaufring 12 und einem äußeren Lagerlaufring 14 angeordnet. Der innere Laufring 12 ist fest auf einer inneren Welle 16 mit dem Außendurchmesser do montiert und dort durch einen Haltering 18 gesichert, und der äußere Laufring 14 ist fest in einer äußeren Welle 20 mit dem Innendurchmesser di mittels eines Halterings 22 montiert. Zwei ringförmige Stirnelemente 24 und 26 sind axial beiderseits der Wälzkörper 10 angeordnet, um diese in Axialrichtung festzulegen.In the radial rolling bearing shown in FIG. 1, a number of rolling elements in the form of rollers 10 are arranged circumferentially between an inner bearing race 12 and an outer bearing race 14 . The inner race 12 is fixedly mounted on an inner shaft 16 with the outer diameter do and secured there by a retaining ring 18 , and the outer race 14 is fixedly mounted in an outer shaft 20 with the inner diameter di by means of a retaining ring 22 . Two annular end elements 24 and 26 are arranged axially on both sides of the rolling elements 10 in order to fix them in the axial direction.

Gemäß Fig. 2 ist jeder Wälzkörper 10 vom nächsten Wälz­ körper durch ein Zwischensegment 28 getrennt. Die Zwischen­ segmente haben jeweils den Wälzkörpern zugewandte Stirn­ flächen, die mit dem jeweils benachbarten Wälzkörper jeweils einen sich in Wälzkörperdrehrichtung verjüngenden Spalt bilden. Bezogen auf den beim Umlauf der Wälzkörper in Wälzkörperdrehrichtung in diesen Spalt hineingezogenen Luft­ strom haben diese Stirnflächen 30 also jeweils eine strom­ aufwärtige Kante 32 und eine stromabwärtige Kante 34. Die Breite δ des Spaltes zwischen einer Stirnfläche 30 und dem benachbarten Wälzkörper 10 hat jeweils an der strom­ aufwärtigen Kante 32 ein Maximum und verringert sich dann zur stromabwärtigen Kante 34 auf ein Minimum.Referring to FIG. 2, each rolling element 10 is a body separated from the next by an intermediate rolling segment 28. The intermediate segments each have the end faces facing the rolling elements, which each form a tapering gap in the rolling element rotation direction with the respectively adjacent rolling elements. Based on the air flow drawn into this gap when the rolling elements rotate in the rolling element rotation direction, these end faces 30 each have an upstream edge 32 and a downstream edge 34 . The width δ of the gap between an end face 30 and the adjacent rolling element 10 has a maximum at the upstream edge 32 and then decreases to the downstream edge 34 to a minimum.

Nunmehr wird wieder auf Fig. 1 Bezug genommen. Zwei ringförmige Stirnscheiben 36 und 38 sind axial beiderseits des inneren Laufrings 12 und der ringförmigen Stirn­ elemente 24 und 26 angeordnet und dienen der Festlegung der Stirnelemente 24 und 26 in axialer Richtung. Beide Stirnscheiben 36 und 38 sitzen fest am inneren Laufring 12 und werden durch den Haltering 18 in diesem Zustand gesichert. Jedoch könnten die Stirnscheiben natürlich auch alternativ dazu dem äußeren Laufring 14 zugeordnet sein. Reference is now made to FIG. 1 again. Two annular end plates 36 and 38 are arranged axially on both sides of the inner race 12 and the annular end elements 24 and 26 and serve to define the end elements 24 and 26 in the axial direction. Both end plates 36 and 38 are firmly seated on the inner race 12 and are secured in this state by the retaining ring 18 . However, the face plates could of course also alternatively be assigned to the outer race 14 .

Wie anhand der Fig. 2 bereits erwähnt, sind die Zwischen­ segmente 28 mit ihren den Wälzkörpern zugewandten Stirn­ flächen 13 jeweils so gestaltet, daß der Spalt 40 zwischen dem jeweiligen Zwischensegment 18 und dem benachbarten Wälzkörper 10 sich in Wälzkörperdrehrichtung verjüngt. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel läuft der äußere Laufring 14 in Richtung des Pfeiles Y und der innere Lauf­ ring 12 dazu gegensinnig in Richtung des Pfeiles Z um, so daß der Wälzkörper sich in Richtung des Pfeiles W dreht. Die durch den Umlauf des Wälzkörpers 10 in den Spalt 40 zwischen einem Zwischensegment 28 und dem Wälzkörper hineingezogene Luft wird, da sich der Spalt von der stromaufwärtigen Stirn­ flächenkante 32 zur stromabwärtigen Kante 34 verjüngt, fort­ schreitend stärker verdichtet. Diese verdichtete Luft bildet im Bereich der stromabwärtigen Kante 34 ein Luftpolster, auf welchem der umlaufende Wälzkörper aufschwimmt bzw. getragen wird. Es leuchtet ein, daß der Druck in diesem Luftpolster mit zunehmender Drehzahl des Wälzkörpers ansteigt und damit seine Stützwirkung zunimmt.As already mentioned with reference to FIG. 2, the intermediate segments 28 with their end faces facing the rolling elements 13 are each designed such that the gap 40 is tapered between the respective intermediate segment 18 and the adjacent rolling elements 10 in Wälzkörperdrehrichtung. In the illustrated embodiment, the outer race 14 runs in the direction of arrow Y and the inner race ring 12 in the opposite direction in the direction of arrow Z , so that the rolling element rotates in the direction of arrow W. The air drawn in by the circulation of the rolling element 10 into the gap 40 between an intermediate segment 28 and the rolling element is progressively more compressed, since the gap tapers from the upstream end face edge 32 to the downstream edge 34 . This compressed air forms an air cushion in the region of the downstream edge 34 , on which the rotating rolling element floats or is carried. It is obvious that the pressure in this air cushion increases with increasing speed of the rolling element and thus its support effect increases.

Der Wälzkörper 10 ist an seinen Stirnenden jeweils mit einem Endbereich 42 ausgestattet, der in miteinander ab­ wechselnde rampenartige Flächensegmente 44 und flache Flächensegmente 46 unterteilt ist sowie einen vertieften Mittelbereich 48 aufweist. Dabei weist jedes Flächen­ segment 44, 46, bezogen auf die Drehrichtung des Wälz­ körpers, eine Vorderkante 48 und eine Hinterkante 50 auf. Die rampenartigen Flächensegmente sind jeweils durch Ver­ tiefungen in der Wälzkörperstirnseite mit an der Vorder­ kante 48 größerer Tiefe und dann zur Hinterkante 50 fort­ schreitend abnehmender Tiefe gebildet, wobei die Hinter­ kante 50 flächenbündig mit dem sich anschließenden flachen Flächensegment 46 ist und gleichzeitig dessen Vorderkante 48 bildet. Die Fläche jedes flachen Segments 46 stellt einen Endbereich eines Spalts G dar, der zwischen dem Wälzkörper­ endbereich 42 und der gegenüberliegenden Stirnfläche 54 des betreffenden Stirnelements 24 bzw. 26 gebildet ist.The rolling element 10 is equipped at its ends with an end region 42 , which is divided into alternating ramp-like surface segments 44 and flat surface segments 46 and has a recessed central region 48 . Each surface segment 44 , 46 , based on the direction of rotation of the rolling body, has a front edge 48 and a rear edge 50 . The ramp-like surface segments are each depressions by United in the Wälzkörperstirnseite with edge at the front 48 of greater depth and then formed to the rear edge 50 progressively decreasing depth, which is the rear edge 50 flush with the adjoining flat surface segment 46 and simultaneously forms the leading edge 48 . The surface of each flat segment 46 represents an end region of a gap G which is formed between the rolling element end region 42 and the opposite end surface 54 of the relevant end element 24 or 26 .

Im Betrieb bewirkt die Drehung des Wälzkörpers 10 um seine Längsachse T in Richtung des Pfeiles W, daß Luft in den Spalt G hineingezogen und im Bereich der rampenartigen Segmente 44 verdichtet wird, so daß im Bereich der flachen Segmene 46 jeweils ein Luftpolster entsteht, welches den Wälzkörper 10 axial abstützt.In operation, the rotation of the rolling element 10 about its longitudinal axis T in the direction of arrow W causes air to be drawn into the gap G and compressed in the region of the ramp-like segments 44 , so that an air cushion is formed in the region of the flat segments 46 , which the Rolling element 10 is supported axially.

Wie aus den Fig. 1, 4 und 5 hervorgeht, sind die beiden Stirnscheiben 36 und 38 jeweils mit einer einwärts zu den Stirnelementen 24 und 26 hin weisenden Stirnfläche 46 ver­ sehen, die einen Axialabstand von der gegenüberliegenden äußeren Stirnfläche 58 des betreffenden Stirnelements 24 bzw. 26 hat. Die innenseitigen Stirnflächen 56 sind dabei wiederum jeweils in miteinander abwechselnde rampenartige Flächensegmente 60 und flache Flächensegmente 62 unterteilt, so daß die gleiche Wirkung wie bei den Wälzkörperstirn­ flächen eintritt, indem Luft zwischen den Stirnflächen 56 und 58 der Stirnplatten und der Stirnelemente hineingezogen und verdichtet wird und so die Stirnelemente axial abstützt, wenn sie in Richtung des Pfeiles S mit Bezug auf die benach­ barten Stirnplatten 36 und 38 umlaufen.As can be seen from FIGS. 1, 4 and 5, the two end disks 36 and 38 are each seen with an end face 46 pointing inwards towards the end members 24 and 26 , which has an axial distance from the opposite outer end face 58 of the respective end member 24 and .26 has. The inside end faces 56 are in turn each divided into alternating ramp-like surface segments 60 and flat surface segments 62 , so that the same effect as with the rolling element end faces occurs by air being drawn in and compressed between the end faces 56 and 58 of the end plates and the end elements and so the end elements axially supported when they revolve in the direction of arrow S with respect to the neigh disclosed end plates 36 and 38 .

Fig. 6 zeigt eine Möglichkeit der Befestigung der Stirn­ elemente 24 und 26 an den Zwischensegmenten 28, nämlich mittels Bolzen 64, die durch alle drei Bauteile hindurch­ geführt und mit einer Mutter 66 versehen ist, um die drei Bauteile fest miteinander zu verbinden. Unter der Mutter kann eine Federscheibe 68 oder dgl. Anwendung finden. Fig. 6 shows a possibility of fastening the end elements 24 and 26 to the intermediate segments 28 , namely by means of bolts 64 which are passed through all three components and provided with a nut 66 in order to firmly connect the three components to one another. A spring washer 68 or the like can be used under the nut.

Freilich brauchen der innere Laufring 12 und der äußere Laufring 14 nicht beide gleichzeitig und gegensinnig umzu­ laufen, um die Erfindung anwenden zu können. Es ist lediglich erforderlich, zwischen innerem und äußerem Laufring eine ent­ sprechend hohe Relativdrehzahl zu haben.Of course, the inner race 12 and the outer race 14 do not both have to run simultaneously and in opposite directions in order to be able to use the invention. It is only necessary to have a correspondingly high relative speed between the inner and outer race.

Das Lager kann auch gekühlt werden, indem kühlere Luft in Richtung der Pfeile P oder Q durch das Lager hindurchgeleitet wird.The bearing can also be cooled by passing cooler air through the bearing in the direction of arrows P or Q.

Claims (6)

1. Radialwälzlager zwischen zwei koaxialen und relativ zueinander umlaufenden BauteiIen, mit einer Anzahl von Wälzkörpern (10) und mit in Umfangsrichtung zwischen den Wälzkörpern angeordneten Zwischenelementen (28), dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenelemente (28) an ihren in Umfangsrichtung weisenden Enden jeweils mit derart gestalteten, den Wälzkörpern (10) zugewandten Stirn­ flächen (30) ausgebildet sind, daß diese Stirnflächen (30) zusammen mt dem jeweils benachbarten Wälzkörper (10) einen sich in Wälzkörperdrehrichtung verjüngenden Spalt (40) bilden.1. Radial roller bearing between two coaxial and relative to each other rotating components, with a number of rolling elements ( 10 ) and with intermediate elements arranged in the circumferential direction between the rolling elements ( 28 ), characterized in that the intermediate elements ( 28 ) at their ends pointing in the circumferential direction each with designed in this way, the rolling elements (10) facing end surfaces (30) are formed so that these end surfaces (30) together form mt the respective adjacent rolling elements (10) in a tapered Wälzkörperdrehrichtung gap (40). 2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper (10) durch an den Lagerstirnseiten angeordnete Stirnelemente (24, 26) axial festgelegt sind und zwischen den Wälzkörperstirnflächen und den gegenüberliegenden Stirn­ flächen der Stirnelemente jeweils ein Spalt (G) vorgegebener Größe zum Aufbau eines Luftpolsters gebildet ist.2. Bearing according to claim 1, characterized in that the rolling elements ( 10 ) by axially arranged on the end faces of the bearing ( 24 , 26 ) are axially fixed and between the rolling element end faces and the opposite end faces of the end elements each have a gap ( G ) of predetermined size Structure of an air cushion is formed. 3. Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den Stirnelementen (24, 26) zugewandten Stirnflächen (42) der Wälzkörper (10) in miteinander abwechselnde rampenartige Flächensegmente (44) und zur Wälzkörperachse (T) senkrechte Flächensegmente (46) unterteilt ist, wobei die, bezogen auf die Wälzkörperdrehrichtung, vordere Kante (48) der rampen­ artigen Flächensegmente (44) gegenüber den achssenkrechten Flächensegmenten (46) axial vertieft liegt und die rampen­ artigen Flächensegmente dann in Umfangsrichtung entgegen der Wälzkörperdrehrichtung bis zur Vorderkante der achs­ senkrechten Flächensegmente ansteigen.3. Bearing according to claim 2, characterized in that the end faces ( 24 , 26 ) facing end faces ( 42 ) of the rolling elements ( 10 ) are divided into alternating ramp-like surface segments ( 44 ) and perpendicular to the rolling element axis ( T ) surface segments ( 46 ) , the front edge ( 48 ) of the ramp-like surface segments ( 44 ) being axially recessed relative to the axis-perpendicular surface segments ( 46 ), based on the rolling element rotation direction, and the ramp-like surface segments then rising in the circumferential direction counter to the rolling element rotation direction up to the front edge of the axis-vertical surface segments . 4. Lager nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Stirnelemente (24, 26) starr an den Zwischenelementen (28) befestigt sind.4. Bearing according to claim 2 or 3, characterized in that the end elements ( 24 , 26 ) are rigidly attached to the intermediate elements ( 28 ). 5. Lager nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den beiden Stirnenden des Lagers ringförmige Stirnscheiben (36, 38) angeordnet sind, deren innenliegende Stirnflächen (56) mit den außenliegenden Stirnflächen (58) der Stirnelemente (24, 26) einen Spalt zum Aufbau eines Luftpolsters bilden, und daß die innen­ liegenden Stirnflächen der Stirnplatten mit miteinander abwechselnden rampenartigen Flächensegmenten (60) und zur Wälzkörperachse senkrechten Flächensegmenten (62) aus­ gebildet sind, wobei die, bezogen auf die Relativdreh­ richtung der Stirnscheiben zu den Stirnelementen, vordere Kante der rampenartigen Flächensegmente (60) bezüglich der achssenkrechten Flächensegmente axial vertieft liegt und das rampenartige Flächensegment dann in Umfangsrichtung zum anschließenden achssenkrechten Flächensegment ansteigt.5. Bearing according to one of claims 2 to 4, characterized in that annular end disks ( 36 , 38 ) are arranged on the two ends of the bearing, the inner end faces ( 56 ) of which with the outer end faces ( 58 ) of the end elements ( 24 , 26 ) form a gap to build up an air cushion, and that the inner end faces of the end plates are formed with alternating ramp-like surface segments ( 60 ) and surface segments ( 62 ) perpendicular to the rolling element axis, which, based on the relative direction of rotation of the end plates to the end elements , Front edge of the ramp-like surface segments ( 60 ) is axially recessed with respect to the axially perpendicular surface segments and the ramp-like surface segment then rises in the circumferential direction to the adjoining axially perpendicular surface segment. 6. Lager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnplatten (36, 38) fest am inneren oder am äußeren der beiden koaxialen Bauteile (16, 20) befestigt sind.6. Bearing according to claim 5, characterized in that the end plates ( 36 , 38 ) are fixedly attached to the inner or outer of the two coaxial components ( 16 , 20 ).
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