DE3872431T2

DE3872431T2 - Keramische lageranordnung.

Info

Publication number: DE3872431T2
Application number: DE8888303199T
Authority: DE
Inventors: Koichi Okurayama Nd Corp Inoue; Takao Kimura; Yuji Masumoto; Katsutoshi Nishida; Kasuo Rokkaku; Hiroaki Takebayashi; Yuko Yamashita
Original assignee: Toshiba Corp; Koyo Seiko Co Ltd; IHI Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Koyo Seiko Co Ltd; IHI Corp
Priority date: 1987-04-13
Filing date: 1988-04-11
Publication date: 1993-07-01
Anticipated expiration: 2008-04-12
Also published as: EP0287296A3; US4792244A; EP0287296A2; JPH0678769B2; DE3872431D1; JPS63254225A; EP0287296B1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine keramische Lageranordnung zum Gebrauch in Luftfahrzeugtriebwerken und anderen industriellen rotierenden Maschinen und befaßt sich mit dem in US-A- 4.634.300 beschriebenen Typ einer keramischen Lageranordnung, die einen keramischen inneren Laufring, der sich um eine Metallwelle erstreckt, einen keramischen äußeren Laufring und eine zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring befindliche Mehrzahl von Kugeln oder Rollen umfaßt.
Auf den Gebieten von Luftfahrzeugtriebwerken und anderen industriellen rotierenden Maschinen wurden keramische Lager zum Gebrauch unter schwierigen Hochtemperatur- und Hochgeschwindigkeits-Betriebsbedingungen vorgeschlagen.
Fig. 1 ist eine geschnittene Seitenansicht eines Beispiels eines herkömmlichen keramischen Lagers. Das keramische Lager d ist auf einer Metallwelle e montiert und umfaßt einen inneren Laufring b, einen äußeren Laufring c und eine zwischen den Laufringen b und c befindliche Mehrzahl von Kugeln a. Zwischen dem keramischen inneren Laufring b und der Welle e sind metallische Kegelringe f eingesetzt, um Unterschiede in der thermischen Ausdehnung zwischen dem zusammengebauten und dem Betriebszustand des keramischen Lagers auszugleichen, um ein Springen von letzterem zu verhindern.
In einem keramischen Lager des oben beschriebenen Typs werden Unterschiede in der thermischen Ausdehnung zwischen dem keramischen inneren Laufring b und der Metallwelle e durch axiale Verschiebung der Kegelringe f ausgeglichen, wodurch Tangential- und Radialspannungen, die dazu neigen, ein Springen des keramischen inneren Laufringes b zu verursachen, auf mäßige Werte reduziert werden.
Keramische Lager von dem oben beschriebenen Typ leiden jedoch unter folgenden Problemen:
a) Wegen Reibung, die durch die ursprüngliche Anzugskraft zwischen dem keramischen inneren Laufring b und der Metallwelle e verursacht wird, neigen die Kegelringe f dazu, hängenzubleiben und werden deshalb nicht axial verschoben, wodurch sich eine geringe Zuverlässigkeit des Lagers ergibt.
b) Es ist schwierig, die Kegelringpaare f zueinander zu positionieren.
c) Die Kegelringe f und die zugeordneten kegelförmigen Bereiche des keramischen inneren Laufrings b müssen hochgenau gefertigt werden, so daß sich eine relativ große Anzahl von Einzelteilen ergibt, die genaue Bearbeitung erfordern, was eine Erhöhung der Kosten der Lager bewirkt.
Ein Ziel der Erfindung ist es, die oben geenannten und andere Probleme zu lösen, die bei herkömmlichen keramischen Lagern auftreten, und ein keramisches Lager zu schaffen, bei dem, ohne Erhöhung der Zahl von Einzelteilen, die durch Unterschiede in der thermischen Ausdehnung zwischen dem keramischen inneren Laufring und der Metallwelle verursachten Tangential- und Radialspannungen reduziert werden können, um so ein Springen des keramischen inneren Laufrings zu verhindern.
Gemäß der Erfindung ist eine keramische Lageranordnung des Typs, auf den oben Bezug genommen wurde, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Laufring einen Innendurchmesser aufweist, der geringfügig kleiner ist als der Außendurchmesser der Welle, und auf der Welle aufgeschrumpft ist, und daß in der inneren Oberfläche des inneren Laufrings und/oder in dem innerhalb des inneren Laufrings liegenden Teil der äußeren Oberfläche der Welle eine Mehrzahl von Rücksprüngen, vorzugsweise eine oder mehrere Serien von Rillen, ausgeformt ist.
So wird in der erfindungsgemäßen Lageranordnung die Kontaktfläche zwischen der Welle und dem inneren Laufring reduziert, z.B. um 30% oder 50%, wodurch die durch unterschiedliche Ausdehnung der Welle und des inneren Laufrings verursachten Kräfte aufgenommen werden können, ohne ein Springen des inneren Laufrings zu verursachen.
Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren 2 bis 5 der beigefügten Zeichnungen, von denen zeigen:
Fig. 2 eine geschnittene Seitenansicht einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 3 eine Schnittansicht entlang der Linie III-III in Fig. 2
Fig. 4 (A) und 4 (B) Ansichten, die modifizierte Ausführungsformen darstellen, bei denen Rillen in den äußeren Umfang der Welle und entsprechend in den inneren Umfang des keramischen inneren Laufringes eingearbeitet sind; und
Fig. 5 (A) und 5 (B) Ansichten, die weitere Modifikationen mit sich schneidenden Rillen in dem äußeren Umfang der Metallwelle und entsprechend in dem inneren Umfang des keramischen inneren Laufrings darstellen.
Gemäß Fig. 2 und 3 umfaßt das keramische Lager 4 einen keramischen inneren Laufring 2, einen keramischen äußeren Laufring 3 und eine zwischen diesen angeordnete Mehrzahl von Kugeln 1. Das Lager ist auf eine Metallwelle 5 aufgeschrumpft und wird so sicher in Position gehalten. Insbesondere ist der Außendurchmesser der Metallwelle 5 geringfügig größer als der Innendurchmesser des inneren Laufrings 2, um zu verhindern, daß der innere Laufring 2 während des Zusammenbaus oder des Betriebs von der Metallwelle 5 getrennt wird, und die beiden Komponenten werden zusammengebaut, indem das keramische Lager 4 ernitzt und dann auf die Metallwelle 5 gesetzt wird.
Bei dieser Ausführungsform wird unterhalb des inneren Laufrings eine Mehrzahl von in gleichen Abständen angeordneter, sich axial erstreckender Rillen 6 in den Mantel der Metallwelle 5 eingearbeitet, bevor das keramische Lager 4 auf die Metallwelle 5 aufgeschrumpft wird. Wahlweise oder zusätzlich können die Rillen in der inneren Oberfläche des inneren Laufrings 2 ausgebildet sein.
Die Rillen 6 können in einer Vielzahl von Formen vorliegen, wie Zacken, Rändel, Zähne, Gewindegänge, gekreuzte Streifen oder dergl. Die Fig. 4 (A) und 4 (B) zeigen Ausführungsformen, bei denen die Rillen 6 schraubenförmig sind, also die Form von Gewindegängen haben, und im Mantel der Metallwelle 5 bzw. in der Innenfläche des inneren Laufrings 2 ausgebildet sind. Die Fig. 5 (A) und 5 (B) zeigen Ausführungsformen, bei denen die Rillen 6 in Form von gekreuzten Streifen, d.h. in Form von zwei sich schneidenden Sätzen von parallelen Rillen, vorliegen und im Mantel der Metallwelle 5 bzw. in der Innenfläche des inneren Laufrings 2 ausgebildet sind.
Wie oben erwähnt, können die Rillen 6 in den Mantel der Metallwelle 5 oder in die Innenfläche des inneren Laufrings 2 oder in beide eingearbeitet sein.
Die Metallwelle 5 und das darauf aufgeschrumpfte keramische Lager 4 werden während des Betriebs natürlich heiß. Der Durchmesser der Metallwelle 5 neigt deshalb dazu, sich zu vergrößern, und der innere Laufring 2 neigt dazu, Widerstand gegen eine solche thermische Ausdehnung der Metallwelle zu leisten, weil der Koeffizient der thermischen Ausdehnung von Metall ungefähr dreimal so groß ist wie der von keramischem Material. Infolgedessen würden sich die tangentialen und radialen Spannungen zwischen dem inneren Laufring 2 und der Metallwelle 5 über den zulässigen Grenzwert hinaus erhöhen, wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen würden, und so ein Springen des letzteren verursachen. Gemäß der Erfindung wird jedoch, obwohl der keramische innere Laufring 2 in direktem Kontakt mit der Metallwelle 5 steht, die Kontaktfläche zwischen beiden durch die Rillen 6 herabgesetzt, so daß die durch die Unterschiede in der thermischen Ausdehnung während des Zusammenbaus und des Betriebs verursachten thermischen Tangential- und Radialspannungen verringert, verteilt und wirkungslos gemacht werden.
Eine Reduzierung der thermischen Spannungen ermöglicht, daß eine ausreichende mechanische Stärke des keramischen Lagers gegen Stöße und Vibrationen erhalten bleibt. Das erfindungsgemäße Lager weist im Vergleich zu bekannten keramischen Lagern auch eine reduzierte Anzahl von Komponenten auf, für die hohe Fertigungsgenauigkeit erforderlich ist.

Claims

1. Keramische Lageranordnung, umfassend einen keramischen inneren Laufring (2), der sich um eine Metallwelle (5) erstreckt, einen keramischen äußeren Laufring (3) und eine zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring (2,3) befindliche Mehrzahl von Kugeln oder Rollen (1), dadurch gekennzeichnet, daß der innere Laufring (2) einen Innendurchmesser aufweist, der geringfügig kleiner als der Außendurchmesser der Welle (5) ist, und auf der Welle (5) aufgeschrumpft ist, und daß in der inneren Oberfläche des inneren Laufrings (2) und/oder in dem Innerhalb des inneren Laufrings liegenden Teil der äußeren Oberfläche der Welle (5) eine Mehrzahl von Rücksprüngen (6) ausgeformt ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücksprünge eine oder mehrere Serien von Rillen (6) umfassen.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (6) sich parallel zur Achse der Welle (5) erstrecken.

4. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (6) die Form von Gewindegängen haben.

5. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (6) in der Form zweier sich schneidender Serien von Rillen ausgebildet sind.

6. Anordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillen (6) der oder jeder Serie sich parallel zueinander erstrecken.