DE2330727A1

DE2330727A1 - Hydrostatisches knopflager

Info

Publication number: DE2330727A1
Application number: DE2330727A
Authority: DE
Inventors: Peter H Van Gaasbeek; Theodore J Hebner
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1972-06-21
Filing date: 1973-06-16
Publication date: 1974-01-10
Also published as: BE801234A; US3799628A; GB1433811A; CA977020A; JPS4956054A

Description

Hamburg, den 13. 3uni 1973 136873 .11GO

Priorität: 21. Juni 1972, U.S.A. Pat.-Anm. Nr. 264,962

Anmelder ;

Caterpillar Tractor Co. 2330727

Peoria, 111., U.S.A.

Hydrostatisches Knopflager

Auflager- oder Axialdruck-Belastungen von Maschinenteilen, beispielsiueise bei hydraulischen Förder- oder Übertragungs· einheiten iuie Pumpen und Motoren, schwanken häufig direkt proportional zu den in der lYlaschine entwickelten und auftretenden hydraulischen Drücken. Außerdem ergibt sich bei einem Anstieg dieser Belastungen auch eine proportional ansteigende Abweichung zwischen den relativ zueinander bewegten Flächen. Beispielsweise sind bei einer hydrau-

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lischen Übertragungseinheit vom Axialkolbentyp, njie sie in der US-Patentschrift 3,635,126 (Engel et al) beschrieben ist, die auf die dort vorgesehene Lagerplatte wirkenden Belastungen unmittelbar proportional zu den durch die Übertragungseinheit aufgebrachten hydraulischen Drücken.

Um diesen schwankenden Druckkräften entgegenzuwirken, sind bei der bekannten Einrichtung hydrostatische Knopflager vorgesehen mit einem Teil, welcher mit Spiel passend in eine Aufnahmeöffnung eingesetzt ist, welche mit Hilfe des Ausgangsdruckes der Einheit unter Druck gesetzt ist. um die erforderliche Gegenwirkung gegen die Lagerbelastung zu erreichen und eine Abweichung zwischen einer rotierenden Lagerplatte der Einheit und deren Gehäuseteilen zu kompensieren.

Die in solche unter Druck stehende Aufnahmeöffnungen eingesetzten Knöpfe können jedoch rütteln, kippen oder schwingen, wodurch die im Bereich des Lagerkissens liegenden, gefrästen oder geschliffenen scharfen Kanten mit der glatten Lauffläche der damit über das Lagerkissen zusammenarbeitenden Lagerplatte in Berührung kommen. Kerben, Auskehlungen oder Kanten in der Lauffläche führen demzufolge zu einer Beschädigung oder Zerstörung von hydrostatischen Drucklagern, die mit solchen Knöpfen ausgebildet sind.

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Demzufolge müssen solche Knopflager derart aufgebaut werden, daß eine merkliche Abweichung von der Parallelität zwischen ihrem Lagerkissenbereich und der ebenen Lauffläche vermieden wird, wenn diese besondere Art der Druckkompensation wirksam angewendet werden soll. In dem oben ermähnten Patent sind im Bereich des Lagerkissens mehrere kreisförmige Rippen oder Vorsprünge vorgesehen, wobei die außenliegende Rippe geringfügig abgeflacht ist, und zwar etwa um 2/1000" (1" = 2,54 cm), um zu erreichen, daß sich an ihrer Führungskante ein Ölkeil ausbildet, welcher den durch die Geschwindigkeit hervorgerufenen Scherkräften des dünnen Ölfilms zwischen der Lauffläche und dem Gebiet des Lagerkissens entgegenwirkt, daß diese Kräfte nicht die Vorderkante nach oben und die Hinterkante nach unten drücken, da hierdurch die scharfen Kanten der Vorsprünge oder Rippen in erhöhtem maße vorstehend der ebenen Lauffläche ausgesetzt sind.

In der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß eine derart bemessene Anordnung nicht völlig zufriedenstellend ist, weil die Toleranzen kritisch und schwierig einzuhalten sind.

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Der Hauptzweck der Erfindung besteht daher darin, die Form eines hydrostatischen Knopflagers der oben beschriebenen Art so zu verbessern, daß eine bessere Steuerung oder Stabilisierung seiner Einstellung oder Lage erreicht iuird, und daß verhindert wird, daß Kerben oder dergleichen in der flachen Lauffläche einer Lagerplatte mit derartigen Lagerknöpfen unmittelbar in Berührung kommen.

Ein hydrostatisches Knopflager mit einem zylindrischen Teil, u/elcher mit Spiel in eine unter Druck gesetzte Aufnahmeöffnung eingesetzt ist, so daß er um die Achse des zylindrischen. Teiles kippen kann, sowie mit einem normal zur Achse des zylindrischen Teiles ausgerichteten Bereich zur Ausbildung eines Lagerkissens ist erfindungsgemäß so ausgeführt, daß im Lagerkissenbereich eine mittig angeordnete kreisförmige Ausnehmung vorgesehen ist, ujelche durch eine fflittelöffnung in dieser Ausnehmung in Flüssigkeitsverbindung mit der unter Druck stehenden Aufnahmeöffnung steht, daß ein im wesentlichen mit einer ebenen kreisringförmigen Oberfläche versehener innerer Vorsprung die kreisförmige Ausnehmung begrenzt, und daß mit Abstand zu diesem Vorsprung ein äußerer Vorsprung konzentrisch angeordnet ist, dessen Innenkante in der gleichen Ebene liegt wie die ebene Oberfläche des inneren Vorsprungs, und dessen äußere Randkante abgeschrägt ist, wodurch

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eine verbesserte dynamische Lagestabilität des Knopfes erreicht wird. Die Breite des inneren Vorsprunges ist erfindungsgemä'ß derart bemessen, daß ein geeignetes geometrisches Gleichgewicht erreicht wird.

Die gewünschte Selbststabilisierung eines kreisförmigen hydrostatischen Knopflagers, welches durch seinen in eine unter Druck stehenden Ausnehmung eingesetzten zylindrischen Teil gestützt oder getragen wird, wird also durch die erfindungsgemaße Abschrägung der Randkante im Bereich des im wesentlichen ebenen Lagerkissengebietes erreicht, in welchem mehrere Rippen oder Vorsprünge vorgesehen sind, die den durch eine von dem Knopflager gestützte Lauffläche hervorgerufenen Lagerkräften entgegenwirken. Das erforderliche geometrische Gleichgewicht wird dabei im wesentlichen durch die erfindungsgemäße Bemessung und Ausbildung des inneren Vorsprunges erreicht,

Durch die Erfindung wird vorteilhaft einfach die Kippneigung des Knopflagers weitgehend vermieden und verhindert, daß bei den verbleibenden Bewegungen des Lagerknopfes eine Keil- oder Schabwirkung zwischen den relativ zueinander bewegten Flächen auftreten kann, so daß eine wirkungsvolle Kompensation der zwischen diesen Flächen auftretenden Lagerbelastungen sichergestellt ist.

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IJJeitere Vorzüge und .Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen sou/ie aus der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung, in welchen die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles erläutert und dargestellt ist.
Es zeigen :

Fig. 1 eine Draufsicht auf den Bereich des Lagerkissens eines erfindungsgemäß verbesserten hydrostatischen Knopflagers mit einem herausgebrochenen Teil eines Bauteiles mit einer zur Stützung des Knopflagers unter Druck gesetzten Aussparung, und

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie II - II

in Fig. 1 und zusätzlich eine oberhalb des Lagerkissenbereiches des Knopfes vorgesehene Lauf- oder Lagerfläche, um die Zuordnung des Lagerknopfes zu einer Druckfläche zu veranschaulichen.

Zur Erläuterung des Einsatzgebietes für den vorliegenden hydrostatischen Lagerknopf soiuie zur Erhellung des technischen Hintergrundes, aufgrund dessen die Kippneigung mährend des Betriebes einer mit diesen Lagerknöpfen ausferüsteten Vorrichtung verhindert werden soll, luird auf die oben erwähnte US-Patentschrift Nr. 3,635,126 verwiesen.

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Aus Fig. 2 ist zu erkennen, daß der hydrostatische Lagerknopf 10 von einem damit zusammenwirkenden Bauteil 11 gestützt wird, in welchem eine Ausnehmung 12 vorgesehen ist, welcher durch eine Verbindungsöffnung 13 Druckflüssigkeit zugeführt wird. Ein zylindrischer Teil 14 und ein Lagerteil 15 bilden die beiden wesentlichen Tgile des Lagerknopfes, wobei der Lagerteil 15 ein normal zur Zylinderachse A des zylindrischen Teiles ausgerichtetes flaches Lagerkissengebiet 16 einschließt. Da die Ausnehmung größer ist als der Außendurchmesser des zylindrischen Teiles 14 ist eine O-Ringdichtung 17 in einer Ringnut 18 im Mittelteil des zylindrischen Teiles angeordnet, wie dargestellt, welche das Austreten von Druckflüssigkeit entlang der zylindrischen Oberfläche des Teiles 14 verhindert.

Im Betrieb treibt die Druckflüssigkeit in der Ausnehmung den Knopf in Richtung der Achse A gegen eine glatte Lauffläche D, die sich in Richtung des Pfeiles C bewegt. Druckflüssigkeit tritt durch einen Kanal 19 und eine Öffnung 20 in den Bereich 16 des Lagerkissens des Knopflagers, wo sie sich an der Oberfläche der vorspringenden Rippen so verteilt, daß die auftretenden Druckgradienten bewirken, daß ein dünner Ölfilm zwischen dem Gebiet des Lagerkiseens und der benachbarten Lauffläche D aufrechterhalten wird. Ein hydrostatisches Lager kann somit

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axiale DrLickbelastungen an der Lagerfläche abfangen, welche die Neigung haben, diese gegen die Ausnehmung zu bewegen, siehe Fig. 2.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Bereiches 16 des Lagerkissens ist es möglich, die Vorteile des beschriebenen hydrostatischen Lagers beizubehalten, mährend die Lage-Stabilität des um die Achse A frei flatternden oder schwingenden Knopfes gesteigert tuird. Dies wird durch eine breite kreisförmige IKlittelausnehmung 30 erreicht, u/alche über die Hälfte des LagerkissenberBiches einnimmt. Die Ausnehmung 30 u/ird durch die Öffnung 20 mit Druckflüssigkeit gefüllt und ist von einem in Form eines geschlossenen inneren rings umlaufenden rippenförmigen Vorsprung 31 mit einer ebenen Oberfläche 32 umfaßt. Eine Ringnut 33 trennt diese innere Rippe von einer zu dieser konzentrischen äußeren Rippe 34, von welcher für das Abfließen der Hydraulikflüssigkeit aus der Ringnut mehrere Abzapfschlitze ausgehen. Die innere kreisförmige Kante der äußeren Rippe ist der Höha der ebenen Oberfläche 32 der inneren Rippe angepaßt, während die äußere Kante abgeschrägt ist, um eine scharfe Umfangskante an der äußeren Rippe zu vermeiden. Diese Anordnung verhindert, daß irgendwelche scharfen Randkanten frei zur Lauffläche D vorstehen, wodurch Beschädigungen vermieden werden. U/eil die Außenkante der äußeren Rippe abgeschrägt ist, kann diese also keine

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schädliche Meißelwirkung auf die Lauffläche ausüben, und es wird auch vermieden, daQ die äußere Kante der inneren Rippe der Lauffläche ungeschützt ausgesetzt wird. Die Abschrägung ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kugelförmig ausgebildet, tuie in Fig. 2 dargestellt.

U/ährend der Grad der Abschrägung der Außenkante der äußeren Rippe unkritisch ist, ist die Bemessung der Breite der inneren Rippe durchaus kritisch. Um bei Verwendung einer abgeschrägten Kante das erforderliche geometrische Gleichgewicht zu erzielen, muß das Verhältnis der Radien R, der Innenkante der inneren Rippe und R„ der Außenkante der inneren Rippe innerhalb bestimmter Grenzen liegen, wenn der Lagerknopf in geeigneter liieise als hydrostatisches Lager mit der erforderlichen Lagesteuerung oder Lagestabilität arbeiten soll. Die Formel

2O0 (R₀ ² - R₁ ²) Geometrisches
Gleichgewicht (Ji) = _log (R /R ) B²

Θ LJ X

legt dieses Verhältnis fest, wobei B der Durchmesser der Öffnung 20 ist. Der liiert des geometrischen Gleichgewichts sollte wenigstens 99J& betragen.

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iYlit einer kugelförmigen oder abgeschrägten Außenkante an der äußeren Rippe baut der hydrodynamische Druck bei einer Bewegung der Lauffläche D in Richtung des Pfeiles C ein Druckgefälle oder einen Gradienten (Ölkeil) an der Vorderkante auf, welches oder welcher die durch die Geschwindigkeit verursachten Scherkräfte ausgleicht, welche die Neigung haben, die Führungskanta des Knopfes gegen die Lauffläche D zu kippen. Diese Ausgleichskräfte sind in einem weiten Geschwindigkeitsbereich im wesentlichen im Gleichgewicht, wenn der Wert des geometrischen Gleichgewichtes wenigstens bei 99J& oder höher liegt. Vorzugsweise sollte das geometrische Gleichgewicht zwischen und 120% liegen.

- ANSPRÜCHE -

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Claims

ANSPRÜCHE

1. Hydrostatisches Knopflager mit einem zylindrischen Teil, melcher abgedichtet und mit Spiel in eine unter Druck gesetzte Aufnahmeöffnung eingesetzt ist, und mit einem Lagerteil mit einem normal zur Achse des zylindrischen Teiles ausgerichteten Bereich zur Ausbildung eines hydrostatischen Lagerkissens, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich zur Ausbildung des Lagerkissens (16) eine mittig angeordnete kreisförmige Ausnehmung (30) aufweist, uielche über einen Durchflußkanal (19, 20) im zylindrischen Teil (14) mit der Druckflüssigkeit in der zugehörigen Aufnahme öffnung (12)" in Verbindung steht, daß die kreisförmige Ausnehmung (30) durch einen inneren umlaufenden Vorsprung (31) mit einer kreisringförmig geschlossenen ebenen Oberfläche (32) begrenzt ist, und daß ein mit Abstand zum inneren Vorsprung konzentrisch angeordneter kreisringförmiger äußerer Vorsprung (34) zur Selbststabilisierung beim Betrieb des hydrostatischen Lagers vorgesehen ist.

2. Knopflager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Oberfläche (32) des inneren Vorsprungs zwischen Innen- und Außenradius (R-, R_n)

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durch die Formel

200 (R_Q ²

iog_e (R₀Zr₁) b²

99%

festgelegt ist, wobei B der kleinste Durchmesser des Durchflußkanals (19, 20) ist.

3. Knopflager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß B der Durchmesser einer im Durchgangskanal (19) vorgesehenen mittig angeordneten Öffnung (20) ist.

4. Knopflager nach einem der ANsprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkante des äußeren kreisringforraigen Uorsprungs (34) abgeschrägt ist.

5. Knopflager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenkante des äußeren Vorsprungs (34) in der Höhe der die kreisförmige fflittelausnehmung (30) begrenzenden ebenen Kreisringfläche (32) liegt.

6. Knopflager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenkante des äußeren Vorsprungs (34) kugelförmig abgeschrägt ist.

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