DE69608238T2 - Hydrodynamisches Lager mit einer festen Gleitfläche sowie kippbaren Gleitsegmenten - Google Patents

Hydrodynamisches Lager mit einer festen Gleitfläche sowie kippbaren Gleitsegmenten

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Lager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, die als Unterstützungen für Drehwellen dienen, und betrifft außerdem jene dieser Lager, die für große Wellen verwendet werden, die sich mit hoher Drehzahl drehen, beispielsweise Wellen für Getriebe (Drehzahlübersetzungs- und Drehzahluntersetzungseinrichtungen), die dazu bestimmt sind, Turbotriebwerke anzutreiben und/oder von Turbotriebwerken angetrieben zu werden.
  • Diese Lager sind im Hinblick auf die technologischen Zwänge bei der Montage und ihre lange Lebensdauer nahezu stets vom hydrodynamischen Typ. Diese hydrodynamischen Lager weisen jedoch ihre eigentümlichen Grenzen auf, die die Leistungen und die Lebensdauer der Übersetzungs- und Untersetzungseinrichtungen bedingen, so daß in den letzten Jahren erhebliche Anstrengungen unternommen worden sind, um diese Lager zu optimieren. Die Erfindung zielt auf einen großen neuen Schritt bei dieser Optimierung.
  • Es sind selbstverständlich Lager mit festen Profilen bekannt, die aus zwei festen Bogenstücken in einem Körper gebildet sind und im wesentlichen in einem Wellenstrang mit niedriger Drehzahl verwendet werden. Diese Bogenstücke können in bezug auf die Achse des Lagers versetzt sein ("offset halves"), wobei die Welle ihrerseits die optimale Position einnimmt, wenn sie ihre Nenndrehzahl erreicht. In einem solchen Fall ist die Lastausübungsoberfläche maximal, so daß sowohl der Verlust der Lagerleistung als auch der Verlust des Getriebes maximal sind. Außerdem sind sogenannte Oszillationskufenlager entwic kelt worden, in denen auf der inneren Oberfläche des Körpers (im allgemeinen fünf) Kufen gleichmäßig verteilt und so angebracht sind, daß sie entweder eine Kippbewegung längs einer Kontaktlinie mit der zur Wellenachse parallelen Oberfläche ausführen können oder um 360º um ein an der inneren Oberfläche des Körpers befestigtes Kugelgelenk beweglich sind. In diesem Fall kippen die Kufen bei der Drehung der Welle, um ihre optimale Position einzunehmen.
  • Derzeit wird angenommen, daß diese Oszillationskufenlager für einen Hochdrehzahl-Wellenstrang besser geeignet sind (siehe "Calcul des caracteristiques statiques et dynamiques d'un palier ä patins oscillants", Laboratoire de Mecanique des Contacts, INSA, Lyon, Juni 1983). Darüber hinaus ist es in diesem Fall auch vorteilhaft, diese oszillierenden Lager an Kugelgelenken anzubringen, deren Kugel in bezug auf das Zentrum des Aufnahmesitzes der Kufe versetzt ist.
  • Das Dokument US-A-4597676 offenbart ein Lager des obengenannten Typs.
  • Die Erfindung beruht auf der überraschenden experimentellen Feststellung, daß mit dem Lager des obengenannten Typs noch bessere Ergebnisse erhalten werden können, wenn es durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gekennzeichnet ist.
  • Wie später genauer entwickelt wird, macht der experimentelle Vergleich zwischen den Lagern der Erfindung und den herkömmlichen Lagern mit oszillierenden Kufen im Hinblick auf die maximale Temperatur, die Lastverluste und die Schwingungsfestigkeit einen deutlichen Vorteil der Lager der Erfindung deutlich.
  • Zunächst wird die Erfindung genauer beschrieben, indem auf zwei Ausführungsformen Bezug genommen wird, die in der beigefügten Zeichnung dargestellt sind, worin:
  • - Fig. 1 ein Axialschnitt längs I-I von Fig. 2 einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist, in der der Kontakt der oszillierenden Kufen mit der inneren Oberfläche des Körpers längenbezogen ist;
  • - Fig. 2 ein transversaler Halbschnitt längs II-II und eine Halbstirnansicht von Fig. 1 ist;
  • - Fig. 3 ein Teilschnitt längs III-III in Fig. 2 ist;
  • - Fig. 4 ein Axialschnitt längs IV-IV in Fig. 5 einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ist, in der die oszillierenden Kufen an versetzten Gelenkzapfen angebracht sind;
  • - Fig. 5 ein transversaler Halbschnitt längs V-V und eine Halbstirnansicht von Fig. 4 ist;
  • - Fig. 6 ein Teilschnitt längs VI-VI in Fig. 5 ist;
  • - Fig. 7 den Plan des Vergleichsuntersuchungsapparates für Lager zeigt;
  • - Fig. 8 die in Tabelle II zusammenfassend bezifferten Ergebnisse graphisch veranschaulicht;
  • - die Fig. 9 und 10 die in Tabelle III zusammenfassend bezifferten Ergebnisse graphisch veranschaulichen;
  • - Fig. 11 die in Tabelle IV zusammenfassend bezifferten Ergebnisse graphisch veranschaulicht;
  • - Fig. 12 die in Tabelle V zusammenfassend bezifferten Ergebnisse graphisch veranschaulicht.
  • Zunächst wird auf die Fig. 1-3 Bezug genommen, in denen ein Lager gemäß der Erfindung gezeigt ist, das aus einem Körper 1 gebildet ist, der mit drei Abstützoberflächen versehen ist, nämlich:
  • - mit einem festen Bogenstück 2, das sich über einen Winkel von ungefähr 115º erstreckt,
  • - mit zwei oszillierenden Kufen 3-3', die sich jeweils über einen Winkel von ungefähr 60º erstrecken.
  • Das feste Bogenstück 2 ist im Körper 1 durch jedes bekannte Mittel angebracht, das für die Konstruktion von Lagern mit festen Profilen (Schrauben oder Anschläge) geeignet ist. Es wird stromaufwärtig durch eine Rinne 4 in herkömmlicher Weise geschmiert.
  • Jede oszillierende Kufe weist einen Krümmungsradius auf, der kleiner als der Radius der Oberfläche des Körpers ist, so daß sie auf dieser Oberfläche längs einer Linie sitzt, um die sie frei kippen kann. Bei fehlender Welle 6 wird sie durch einen mit 7-7' bezeichneten Halterring festgehalten. Wenn die Welle vorhanden ist und ihre Nenndrehzahl erreicht, kippt jede Kufe 3-3', um ohne jeglichen Kontakt ihre optimale Position einzunehmen.
  • Außerdem befindet sich jede Kufe in der Nähe des festen Bogenstücks 2 und liegt in Umfangsrichtung stromabwärtig ständig an den Anschlägen 8-8' und stromaufwärtig ständig an den Schmierungsdüsen 9-9' an. Fig. 3 zeigt die Verteilung jeder Einheit aus drei Düsen mit gerichtetem Strahl 9a, 9b, 9c.
  • Die Welle 6 dreht sich in Richtung ω, wobei die Last in Richtung des Pfeils F orientiert ist.
  • Nun wird auf die Fig. 4-6 Bezug genommen, in denen ein Körper 11 gezeigt ist, an dem ein festes Bogenstück 12, das sich über einer Bogen vor ungefähr 115º erstreckt, beispielsweise durch Schrauben oder Anschläge befestigt ist und stromaufwärtig durch eine Rinne 14 geschmiert wird, ferner ist ein Paar oszillierender Kufen 13-13' gezeigt, die sich in der Nähe der Enden des festen Bogenstücks über einen Bogen von ungefähr 60º erstrecken und in Umfangsrichtung stromabwärtig an (nicht gezeigten) Anschlägen und stromaufwärtig an Schmierungsdüsen 19-19' mit gerichteten Strahlen anliegen (siehe Fig. 6).
  • Im Unterschied zu den Kufen 3-3', die lediglich in Drehrichtung der Welle kippen können, sind die Kufen 13-13' im inneren des Körpers über Kugelgelenke angebracht, die eine sphärische Kappe 21 aufweisen, die am Körper 11 über eine Schraube 22 gehalten wird, und mit einem Aufnahmesitz in Form eines sphärischen Hohlraums, der der hinteren Fläche der Kufe 13-13' entspricht, zusammenwirkt. Zwischen der hinteren Fläche der Kappe 21 und der inneren Oberfläche des Körpers 11 (siehe Bezugszeichen 23') ist ein Einstellteil eingesetzt, das die Präzision der Höhe der Kufe 13 gewährleistet, wodurch ihr Verschleißvermieden wird und gleichzeitig das Spiel eingestellt werden kann.
  • Die Welle 6 dreht sich in Richtung ω, wobei die Last in der Richtung des Pfeils F ausgeübt wird.
  • Gemäß einer Variante, die im Umfang der Erfindung liegt, sind die Elemente des Kugelgelenks, d. h. die Achse der Kappe 21 und die Achse des sphärischen Hohlraums der Kufe 13, in der Weise versetzt, daß ein dezentrierter Drehpunkt erzeugt wird, der beste Leistungen des Lagers sicherstellt.
  • In dieser zweiten Variante können nicht nur die Kufen in Drehrichtung der Welle schwenken, sondern sie können darüber hinaus in einer senkrechten Richtung, d. h. parallel zur Achse des Lagers, kippen, um sich an die eventuelle Biegung der Welle anzupassen.
  • Es wird angemerkt, daß die ungefähre Gesamtlänge der Unterstützungsflächen des festen Bogenstücks und der beiden Kufen ungefähr einen Bogen von 235º ausmacht. Wenn den Anschlägen und Düsen, die den Umfangsanschlag der Kufen sicherstellen, eine Gesamtlänge von ungefähr 50º zugeschrieben wird, bleibt somit zwischen den Kufen ein freier Raum von ungefähr 65º, auf den keine Last wirkt.
  • Dieser Besonderheit können wenigstens teilweise die besseren Leistungen der Lager gemäß der Erfindung zugeschrieben werden, wie später mit Bezug auf die experimentellen und theoretischen Untersuchungen erläutert wird. Hierzu muß berücksichtigt werden, daß, da die Last auf das feste Bogenstück gerichtet ist, wie durch den Pfeil F in den Fig. 2 und 5 gezeigt ist, und die Kufen nur die Aufgabe des Haltens, d. h. die Begrenzung oder sogar die fast vollständige Beseitigung von Schwingungen und keine Lastkapazität haben, deren Position einen Kompromiß zwischen der "Steifigkeit" des Lagers und seiner Dämpfungsaufgabe erfüllen muß. Dies ist der Grund, weshalb sie sich erfindungsgemäß so nahe wie möglich bei dem festen Bogenstück befinden, nämlich die linke Kufe (3 oder 13), die die Unterstützung verbessert, und die rechte Kufe (3' oder 13'), die den optimalen Kompromiß zwischen der Steifigkeit und der Dämpfung sicherstellt, wobei dazwischen ein bestimmtes Leerintervall vorhanden ist. Eine vorausgehende theoretische Untersuchung hat ermöglicht, die optimalen Positionen der Drehpunkte zu ermitteln. Die experimentellen Untersuchungen haben die Angemessenheit der theoretischen Hypothesen bestätigt.
  • Nun wird eine kurze Zusammenfassung der experimentellen Untersuchungen gegeben, auf die oben Bezug genommen worden ist.
  • Das Ziel der Versuche ist die vergleichende Untersuchung von Lagern mit fünf oszillierenden Kufen mit entweder zentrierten oder versetzten Drehpunkten mit einem Hybridlager mit einem festen Träger-Bogenstück und zwei oszillierenden Kufen mit Stabilisatorkufen gewesen.
  • Hierzu ist ein Apparatepaar verwendet worden, dessen Plan, der in Fig. 7 wiedergegeben ist, das Prinzip der sogenannten "Rücken-an-Rücken"-Versuche erläutert. Die beiden verwendeten Apparate sind hinsichtlich ihrer Gangart und ihres Achsabstandes völlig gleich. Einer arbeitet als Übersetzungseinrichtung (Maschine A), während der andere als Untersetzungseinrichtung (Maschine B) arbeitet. Sie bilden somit eine geschlossene kinetische Kette, in deren Inneren es durch verschiedene Mittel möglich ist, interne Belastungen (Drehmomente auf Wellen und Kräfte auf die Zahnungen), die den Nennkräften der Apparate entsprechen, zu erzeugen. In dieser Figur geben die Pfeile die aktiven Flanken der Zahnungen an. Die Versetzung der Gesamtheit in Bewegung wird mittels eines Motors M erzielt, der an das Niederdrehzahl-Wellenende (PV) des Strangs 4 gekoppelt ist, während die Beaufschlagung mit der Last durch eine Vorrichtung C am Hochdrehzahl-Wellenende (GV) erfolgt.
  • Das Grundprinzip dieser Lastbeaufschlagung der kinematischen Kette ist das folgende:
  • Der gesamte Wellenstrang besitzt eine konstante globale Torsionssteifigkeit, derart, daß dann, wenn an einem Kopplungspunkt am Wellenstrang eine relative Winkelverschiebung zwischen den zwei Kopplungsplatten erfolgt, daraus ein zur Verschiebung proportionales Belastungsdrehmoment folgt. Je nach Torsionssteifigkeit des Strangs wird das Nenndrehmoment der Apparate durch mehr oder weniger hohe Verschiebungswerte erreicht.
  • In dieser Vorrichtung ruft die axiale Verschiebung einer beweglichen Einheit in bezug auf die konjugierte Zahnung die erwünschte relative Drehung hervor. Diese Bewegung wird Kraft der Verwendung eines Oszillationskufen- Anschlags erhalten, auf den die axialen Kräfte für die Belastung über einen selbstblockierenden Hochdruck- Hydraulikzylinder C wirken. Diese Kräfte sind gleich und den axialen Gegenkräften auf die Zahnungen, die der übertragenen Belastung entsprechen, entgegengesetzt.
  • Die auf die Lager ausgeübte radiale Last ergibt sich hier somit aus der axialen Kraft des Zylinders, die auf die schraubenlinienförmigen Zahnungen der Versuchsmaschinen ausgeübt wird.
  • Die Versuchsbedingungen sind die folgenden:
  • - Der Motor M besitzt eine Nennleistung von 1 MW und eine Nenndrehzahl von 1200 Umdrehungen/Minute;
  • - Eine Übersetzungseinrichtung m erhöht diese Nenndrehzahl auf 3060 U/min am Eingang der Maschine A;
  • - Die Abmessungscharakteristiken der dem Versuch unterworfenen Lager sind in der folgenden Tabelle I zusammengefaßt. Tabelle I
  • In dieser Tabelle ist:
  • - Dn = Nenndurchmesser (Durchmesser des Wellenlagers, d. h. des zwischen dem Zentrum des Bogenstücks und den Zentren der beiden Kufen einbeschriebenen Kreises);
  • - L = Breite des Lagers;
  • - m = Vorbelastung.
  • Von den vergleichend ausgeführten Messungen an diesen Lagern muß als besonders charakteristisch festgehalten werden:
  • 1/ die Entwicklung der Maximaltemperaturen der Lager
  • 2/ die Entwicklung der Lastverluste,
  • 3/ die Schwingungsfestigkeit.
  • 1/ Temperaturen
  • Die Messung der Temperaturen erfolgt mittels Thermoelementen, die hauptsächlich am Umfang der Kufen angeordnet sind, wobei ihr empfindlicher Teil direkt in die Lagermetallschicht implantiert ist und mit der inneren Oberfläche der Kufen bündig ist.
  • Die folgende Tabelle II faßt die in % ausgedrückten Verhältnisse zwischen den Temperaturwerten, die in der Mittelebene des Lagers 11B von Fig. 7 gemessen wurden, zusammen, wobei dieses Lager entweder vom Typ mit 5 oszillierenden Kufen mit zentrierten Drehpunkten oder vom Hybridtyp gemäß der Erfindung ist, wobei die Lasten W % von null (Leerlauf) bis 100 (Nennlast) laufen und die Drehzahlen N % von 25% bis 100% der Nenndrehzahl (normaler Arbeitspunkt) und selbst über 100% hinaus (Überdrehzahl in bestimmten Anwendungen) laufen. Tabelle II Verhältnis der Temperaturen (%)
  • Fig. 8 zeigt graphisch die Änderung dieses Verhältnisses in Form einer Kurve für jeden Lastwert in Abhängigkeit von der Drehzahl.
  • Aus Tabelle II und Fig. 8 geht klar hervor, daß sich für äquivalente Drehzahl-/Lastbedingungen das Hybridlager gemäß der Erfindung deutlich weniger als das bekannte Oszillationskufenlager aufheizt, und dies insbesondere bei Nennbedingungen. Der Unterschied ist erheblich und rechtfertigt allein schon die Patentfähigkeit des Hybridlagers gemäß der Erfindung.
  • 2/ Lastverluste
  • In ähnlicher Weise faßt die folgende Tabelle III die in % ausgedrückten Verhältnisse zwischen den Werten in kW der von einem Lager in Wärme abgeführten Leistung zusammen, wenn dieses Lager vom Typ mit fünf oszillierenden Kufen mit zentrierten Drehpunkten bzw. wenn dieses Lager vom Hybridtyp gemäß der Erfindung ist, und dies für Kombinationen zwischen der Drehzahl N (die von 25 bis 100% und selbst über die Nenndrehzahl hinaus laufen kann) und der Last W (die von null bis 100% der Nennlast laufen kann). Tabelle III
  • Tabelle III faßt außerdem die Verhältnisse in % zwischen den gemessenen Durchsätzen mit variabler Last in Abhängigkeit von der Geschwindigkeit für die beiden Lagertypen zusammen.
  • Die Fig. 9 und 10 zeigen graphisch die in Tabelle III enthaltenen Daten:
  • - Fig. 9 zeigt die Änderungen des Verhältnisses der Verluste zwischen dem herkömmlichen Lager und dem Lager gemäß der Erfindung bei Last null bzw. bei Nennlast in Abhängigkeit von der Drehzahl, während
  • - Fig. 10 die Änderungen des Verhältnisses der Durchsätze zwischen diesen beiden Lagern bei Last null bzw. bei Nennlast in Abhängigkeit von der Drehzahl zeigt.
  • Aus Tabelle III und aus den Kurven der Fig. 9 und 10 geht deutlich der Vorteil des Lagers gemäß der Erfindung gegenüber dem bekannten Lager mit fünf Kufen und dezentrierten Drehpunkten unter allen Drehzahl-/Last- Betriebsbedingungen hervor. Somit ist unter Nennbedingungen die vom Hybridlager gemäß der Erfindung in Wärme abgeführte Leistung viel geringer als jene, die vom herkömmlichen Lager mit fünf Kufen abgeführt wird.
  • 3/ Schwingungsfestigkeit:
  • Die verglichene Beständigkeit gegenüber Schwindungen der Lager mit fünf dezentrierten oszillierenden Kufen und der Hybridlager gemäß der Erfindung ist bewertet worden:
  • a einerseits durch Messen der Amplitude des Schwingungspegels unter der Last W von null bei variabler Drehzahl N (die von 25% der Nenndrehzahl bis zu Überdrehzahlen von 115% der Nenndrehzahl läuft);
  • b andererseits durch Messen der Schwingungsamplitude bei Nenndrehzahl für veränderliche Lasten W, die von 0% bis zur Nennlast laufen.
  • In den beiden Fällen ist diese Amplitude vertikal (V) und horizontal (H) gemessen und in den entsprechenden Spalten in um ausgedrückt worden.
  • a - Die folgende Tabelle IV faßt die Verhältnisse in % zwischen den Werten der Amplituden V und H für das Lager mit oszillierenden Kufen bzw. für das Hybridlager gemäß der Erfindung bei Last 0 und mit variabler Drehzahl zusammen. Tabelle IV Verhältnisse der Schwingungsamplituden (%) (Last null und variable Drehzahl)
  • Fig. 11 zeigt graphisch die Änderungen des Verhältnisses der vertikalen und horizontalen Schwingungspegel zwischen den beiden Lagertypen bei Last null in Abhängigkeit von der Drehzahl an.
  • b - Außerdem faßt die folgende Tabelle V die Werte in % des Verhältnisses zwischen den Werten der Amplituden der Schwingungen für das herkömmliche Lager bzw. für das Lager gemäß der Erfindung bei Nenndrehzahl (N bei 100%) in Abhängigkeit von der Last W zusammen. Tabelle V Verhältnis der Schwindungsamplituden (%) (Nenndrehzahl und variable Last)
  • Fig. 12 zeigt graphisch die Änderungen des Verhältnisses der Pegel der vertikalen und horizontalen Schwingungen zwischen den beiden Lagertypen bei Nenndrehzahl (N = 100%) in Abhängigkeit von der Last.
  • Die Gesamtheit der in den Tabellen IV und V und in den Fig. 11 und 12 zusammengefaßten Ergebnisse führt zu den Feststellungen:
  • - der Schwingungspegel der Hybridlager ist relativ zu den Kufenlagern erheblich verringert;
  • der Schwingungspegel der Hybridlager nimmt bei einer Zunahme der Last im allgemeinen ab.
  • Der Vergleich der Kombination dieser drei charakteristischen Faktoren ergibt: Die Entwicklung der Temperatur, die Entwicklung der als Wärme abgeführten Leistung und die Entwicklung der Schwingungamplituden machen den Vorteil der Hybridlager gemäß der Erfindung gegenüber den herkömmlichen Oszillationskufenlagern deutlich.

Claims (5)

1. Hydrodynamisches Lager des Typs mit mehreren in bezug auf die innere Umfangsfläche des Körpers des Lagers oszillierend angebrachten Kufen,
mit einem in bezug auf die Umfangsfläche festen Bogenstück auf einem Bruchteil dieser Fläche und mit zwei oszillierenden Kufen in der Nähe jedes Endes dieses Bogenstücks, dadurch gekennzeichnet, daß diese beiden Kufen um eine Strecke getrennt sind, die im wesentlichen gleich der Bogenlänge einer Kufe ist, wobei jede Kufe so angebracht ist, daß sie auf einer Seite an einem stromabseitig befindlichen Anschlag und an der anderen an einer stromaufseitig befindlichen Schmierungsdüse anliegt.
2. Lager nach Anspruch 1, in dem jede Kufe längs einer zur Achse des Lagers parallelen Linie in tangentialem Kontakt mit der inneren Oberfläche ist, wobei die Kufe in einer einzigen Richtung um die Tangentiallinie oszillieren kann, um während der Drehung der vom Lager unterstützten Welle seine optimale Position einzunehmen.
3. Lager nach Anspruch 1, in dem zwischen jede Kufe und die innere Oberfläche ein Knochengelenk eingesetzt ist, das durch eine sphärische Kappe gebildet ist, die auf der inneren Oberfläche befestigt ist und mit einem entsprechenden sphärischen Hohlraum der hinteren Fläche der Kufe zusammenwirkt, wobei die Kufe in allen Richtungen um das Gelenk oszillieren kann, um während der Drehung der vom Lager unterstützten Welle ihre optimale Position einzunehmen.
4. Lager nach Anspruch 3, in dem die Achse des sphärischen Hohlraums in bezug auf die Achse der sphärischen Kappe versetzt ist.
5. Lager nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche, in dem das feste Bogenstück einen Bogen von ungefähr 115º überspannt, wobei jede oszillierende Kufe, die sich beiderseits des festen Bogenstücks befindet, einen Bogen von ungefähr 60º überspannt und der freie Raum, der zwischen den beiden oszillierenden Kufen vorhanden ist, die übrigen 125º des Bogens bildet, wenn die Dicke der Kontakte und Schmierungsdüsen und das Spiel zwischen den beweglichen und festen Elementen vernachlässigt werden.
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