DE3206106A1 - Lager - Google Patents

Description

Joy Manufacturing Company Pittsburgh, Pennsylvania 15222, USA

Lager

Die Erfindung betrifft ein Lager gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Bei der Auslegung und Konstruktion von Lagern zur Lagerung einer sich drehenden Welle müssen eine große Anzahl Variabler, wie zum Beispiel die Axial- und Radiallasten auf die Welle, der Drehzahlbereich der Welle, die Temperaturänderungen während des Betriebs und die Vibration der Welle, berücksichtigt werden. Es gibt viele Lagerkonstruktionen, mit denen versucht wurde, einigen dieser durch diese Variablen bedingten Anforderungen zu genügen. Jedoch müssen alle diese Konstruktionen gewisse Kompromisse hinsichtlich der gewünschten Leistung eingehen, um minimalen, mittels der anderen dieser variablen begründeten Kriterien, zu ge~ nügen. Diese Kompromißlösungen schaffen innerhalb eines begrenzten Auslegungsbereichs eine zufriedenstellende Leistung, sind jedoch dann nicht zufriedenstellend, wenn das Lager über einen großen Drehzahlbereich bei variablen Belastungen und unter dem Einfluß von wesentlichen Vibrationskräften arbeiten muß. Derartige Lagerbedingungen treten gewöhnlich bei Zentrifugalkompressoren auf, bei denen die Welle für den Hochgeschwin<|igkeitsrotor gelagert werden muß.

Bei einer Rotorlagerung ist es wünschenswert, die Unabhängigkeit von diesen zahlreichen Auslegungsvariablen zu vergrößern und die Kompromisse zu vermindern, die unabdingbar den zufriedenstellenden Betrieb der Rotorlagerung begrenzen.

Gleitlager mit einem Schmierfilm mit Dämpfungseigenschaften (squeeze film damper bearings) stellen eine Annäherung zur Lösung der Probleme dar, die mit sich schnell drehenden Wellen, die unter veränderlichen Belastungen vibrieren, verbunden sind. Gleitlager mit einem Schmierfilm mit Dämpfungseigenschaften unterteilen sich in zwei allgemeine Bauweisen. Die erste Bauweise weist ein Spiel für einen am Umfang angeordneten Schmierfilm mit Dämpfungseigenschaften auf, wobei die Lastaufnahmeeigenschaft mittels Verwendung von einer zentrierenden Federanordnung erreicht wird. Aufgrund der vorhandenen Toleranzen ist eine derartige komplexe zentrierende Federanordnung teuer und nicht zufriedenstellend. Derartige Lager sind aus den US-PSen 3 121 596, 3 994 542 und 4 097 094 bekannt. Die zweite Bauweise eines Gleitlagers mit einem Schmierfilm mit Dämpfungseigenschaften verwendet keine zentrierenden Federn. Diese zweite Bauweise beruht auf der Kavitation innerhalb des Schmierfilms (squeeze film) unter Vibrationsbedingungen, um die Lastaufnahmeeigenschaft zu erreichen. Diese Lastaufnahmeeigenschaft ist sehr schwierig zu steuern und tritt bei dem Verlust eines größeren Teils der Schmierfilmdämpfung infolge der Kavitation auf. Zwischen diesen beiden Arten der Schmierfilmdämpfung bewirkt die Kavitation 0 infolge hoher Vibrationsbeschleunigungsraten einen größeren Verlust der Dämpfungseigenschaft innerhalb der Lagerkonstruktion. In der US-PS 3 863 996 wird ein Lager mit einer Innenkammer beschrieben, die eine überlaufschmierung von einer hydrodynamischen Schicht verwendet, die die sich drehende Welle umgxbt. Die überlaufschmierung wird

durch das Innere des Lagers zu jeweils einer von mehreren, an der äußeren Fläche des inneren Lagers angeordneten Taschen geführt. Die mit dem unter Druck stehenden Schmierfluid gefüllten Taschen schaffen eine Dämpfungsschicht aus Fluid zwischen dem Lager und der zugeordneten Lagerkonstruktion. Eine derartige Konstruktion kann Vibrationen der Welle unter gewissen Bedingungen dämpfen, macht jedoch die Dämpfung von dem mittels der sich drehenden Welle innerhalb des hydrodynamischen Lagers geschaffenen Drucks abhängig. Eine derartige Konstruktion beinhaltet offensichtlich beträchtliche Begrenzungen hinsichtlich der Konstruktion des Lagers und des Drehzahlbereichs, der Belastung und der Vibrationen, die tatsächlich einen Teil des Systems bilden.

Zur Lösung der Probleme bei der Auslegung von Hochgeschwindigkeitslagern und der Vibrationsdämpfung werden zwei innerhalb einer einzigen Konstruktion angeordnete Lager vorgeschlagen. Das innere Lager ist ein hydrodynamisches Lager, das zur optimalen drehbaren Lagerung des gesamten Lagersystems ausgelegt werden kann. Die tatsächliche Starrheit des inneren Lagers sollte beträchtlich größer als die des äußeren hydrostatischen Schmierfilms (squeeze film) sein, um Vibrationsbewegungen in den Schmierfilm zu verlagern, wo der Hauptanteil der Dämpfung" des gesamten Systems erhalten wird. Das innere Lager sollte so ausgelegt sein, daß negative Kreuzkopplungseffekte so gering wie möglich sind, so daß die Schmierfilmdämpfung in dem System vorherrscht. Mit einem derartigen Lager ist es nicht länger notwendig, das hydrodynamische Lager so auszulegen, daß eine feine Abstimmung zwischen den sich entgegenstehenden Zielen, die wirksame Starrheit so gering wie möglich und die effektive Dämpfung so groß wie möglich zu machen, erreicht wird. Tatsächlich kann das innere Lager ganz gewöhnlieh im Bezug auf Belastung und Arbeitsdruckspitzen ausgelegt werden.

Das äußere Lager dient zur nichtdrehbaren Lagerung des inneren Lagers. Das äußere Lager verwendet mehrere hydrostatische, benachbart zu Vorsprüngen angeordnete Taschen. In den hydrostatischen Taschen zwischen den Vorsprüngen wird eine ölströmung aufgebaut, so daß sich ein dünner Schmierfilm (squeeze film) ausbildet. Dieser Schmierfilm schafft die Dämpfung des Lagers und die Zentrierung des inneren Lagers. Da dieser Schmierfilm bzw. Quetschfilm der gesamten Lagerkonstruktion keine Kreuzkopplungseffekte aufweist, hat der Konstrukteur die Freiheit, die gewünschte Starrheit und den gewünschten Dämpfungsanteil unabhängig von dem hydrodynamischen Lager festzulegen, indem er die Abmessungen des hydrostatischen Quetschfilm, beispielsweise den Durchmesser, die Anzahl der Taschen, die axiale Länge der Taschen, die axiale Länge der Vorsprünge, die Umfangslänge der Taschen, die Größe der Strömungsbegrenzer, das radiale Quetschfilmspiel, die Schmierfluideigenschaften, den Schmierfluiddruck und den Abstand und die Anordnung der hydrostatischen Taschen geeignet festlegt. Da der Quetschfilm hydrostatische Eigenschaften aufweist, treten keine hydrodynamischen Effekte auf, wodurch das gesamte Lagersystem eine wirkungsvolle Starrheit gestattet und die Dämpfungswirkung in einer zufriedenstellenden Größenordnung über einen weiten Arbeitsbereich der Maschine sichergestellt" ist. Das von außen versorgte und gesteuerte hydrostatische Quetschfilmlager weist nicht nur aufgrund der Form des Quetschfilms, sondern ebenfalls mittels des unabhängig gesteuerten Schmiermittelversorgungsdrucks, die Belastungsfähigkeit oder Starrheit auf. Die Zentrierung der Welle wird ohne mechanische Einrichtungen, wie zum Beispiel Federn, erreicht. Die Quetschfilmkavitation und der dadurch bedingte Verlust der viskosen Dämpfung wird mittels einfacher Steuerung des Schmiermittelversorgungsdrucks ausgeschaltet.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Lager zu schaffen, das über einen weiten Geschwindigkeits- und Belastungsbereich arbeitet, wobei Vibrationen bei hohen Geschwindigkeiten wirkungsvoll gedämpft werden.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Mit den erfindungsgemäßen Lager werden die Auslegungsparameter der Vibrationsdämpfung unabhängig von den Lagerparametern des Rotationslagers bemessen. Weiter wird mit der Erfindung ein Lager geschaffen, welches zuverlässig arbeitet und welches eine Lagerung und Zentrierung der Welle und Vibrations-Dämpfungseigenschaften über den Bereich von Null bis zur Höchstgeschwindigkeit aufweist.

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht des Lagers, bei der die Welle im Querschnitt dargestellt ist;

Fig. 2 eine Aufsicht des Lagers von Fig. 1; Fig. 3 eine Ansicht der unteren Lagerhälfte des äußeren Lagers von Fig. 1;

Fig. 4 eine teilweise geschnittene Ansicht des zweiteiligen inneren Lagers von Fig. 1;

Fig. 5 eine Aufsicht der oberen Lagerhälfte des inneren Lagers von Fig. 4;

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines Querschnitts der Lageranordnung der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform;

Fig. 7 eine schematische Ansicht des Querschnitts des Lagers längs der Schnittlinie in Fig. 6;

Fig. 8 eine Längsabwicklung der inneren Umfangsfläche des äußeren Lagerteils der bevorzugten Ausführungsform.

Fig. 1 zeigt ein Lager, das einen zweiteiligen inneren Lagerteil, bestehend aus einer oberen Lagerhälfte 15 und

einer unteren Lagerhälfte 14 aufweist, die eine sich drehende Welle 11 lagern. Die inneren Lagerhälften 15 und 14 sind innerhalb eines äußeren Lagers, bestehend aus einer oberen Lagerhälfte 13 und einer unteren Lagerhälfte 12, angeordnet. Die inneren Lagerhälften 14 und 15 lagern die drehbare Welle 11. Die innere, untere und obere Lagerhälfte 1 4 und 15 sind gegen eine Drehung mittels Paßstiften 73, 74, 75 und 76 gesichert, die mit entsprechenden Aufnahmebohrungen 77 in den äußeren Lagerhälften 12 und 13 in Eingriff treten. Eine derartige Anordnung zwischen den Paßstiften 73, 74, 75, 76 und den entsprechenden Aufnahmebohrungen besteht aus einer losen Passung, so daß sich die inneren Lagerhälften 14 und 15 frei in den mittels der äußeren Lagerhälften 13 und 12 ausgebildeten Bohrungen bewegen können. Die in den Figuren 1 bis 8 gezeigte Ausführungsform zeigt vier Paßstifte 73, 74, 75, 76; es können jedoch andere Ausfuhrungsformen mit nur einem Paßstift zur Festlegung der inneren Lagerhälften gegen eine Drehung relativ zu den äußeren Lagerhälften verwendet werden. Wie man in Fig. 1 sieht, sind die zwei inneren Lagerhälften zu einem Umfangslager mittels Schrauben 63 und 64 verbunden. In ähnlicher Weise verbinden Schrauben 61 und 62 die äußeren Lagerhälften 13 und 12 zur Ausbildung eines einzigen äußeren Lagers. Weiter weist das äußere Lager Paßstifte 69 und 7 0 auf, um eine genaue Ausrichtung der Lagerhälften während des Zusammenbaus sicherzustellen. Das äußere Lager wird in irgendeinem Standardlagergehäuse festgelegt, wobei Stifte 71 und 72 zur Festlegung der Anordnung und zur Verhinderung der Drehung des äußeren Lagers im Bezug auf die Befestigung (nicht gezeigt), verwendet werden. Die in den Figuren 1 bis 8 gezeigte Ausführungsform verwendet zwei Stifte 71 und 72, es ist jedoch verständlich, daß andere Ausführungsformen lediglich einen Stift oder andere Einrichtungen zur Festlegung und Verhinderung der Drehung des äußeren Lagerteils relativ zur Befestigung verwendet werden können.

Ein unter Druck stehendes Schmierfluid, wie zum Beispiel öl, wird dem Lager an zwei Stellen, an Fluideintrittspaßstücken 23 bzw. 33 in den oberen und unteren Hälften zugeführt. Das Fluid gelangt von dem Eintritt in Bohrungen 34 bzw. 24 in den oberen und unteren Lagerhälften. Abschlußschrauben 65, 66, 67 und 68 (siehe Fig. 1 und 3) halten das öl innerhalb der Bohrungen 24 und 34. Das Schmierfluid fließt von den Bohrungen 24 und 34 durch Bohrungen 25, 26 bzw. 35, 36 kleineren Durchmessers. Die Bohrungen 25, 26, 35 und 36 dienen als Durchflußbegrenzer, da sie einen kleineren Durchmesser aufweisen, oder weisen eine Blende mit kleinem Durchmesser auf, so daß die Strömung des Hydraulikfluids durch die Bohrungen 24, 34 in die Taschen 21, 22, 32, 31 begrenzt wird. Das den Taschen 21, 22, 31 und 32 zugeführte Hydraulikfluid bildet dann auf den benachbart zu den Taschen angeordneten Vorsprüngen einen hydrostatischen Quetschfilm aus und fließt weiter über die Vorsprünge zu Kanälen 41a und 41b, die als ringförmige Fluidsammelkanäle im inneren Lager dienen. Wie man in Fig. 2 sieht, sind die Kanäle 41a und 41b seitlich von den Taschen 31 beabstandet angeordnet und erstrecken sich um den Umfang der inneren Lagerhälften 14 und 15. Das in den Kanälen 41a und 41b gesammelte Schmierfluid wird dann mittels der Bohrungen 42 und 43 der Welle zugeführt, um ein hydrodynamisches Lager auszubilden. Wie man in Fig. 2 sieht, weist jeder Kanal 41a und 41b entsprechende Bohrungen 43a und 43b zur Zuführung des Schmierfluids zu dem hydrodynamischen Lager auf, das in der inneren Umfangsflache der inneren Lagerhälften 14 und 15 ausgebildet wird.

Die untere Lagerhälfte 14 des inneren Lagers umfaßt ebenfalls entsprechende Kanäle 41a und 41b mit entsprechenden Bohrungen 42a und 42b zur Zuführung des hydrodynamischen, die Welle 11 umgebenden Lagers.

Ein Druckfühler 20 zur Abtastung des Drucks des Schmierfluids in der Tasche 21 des hydrostatischen Quetschfilms ist dort angeordnet, wo eine Bohrung mit der Tasche 21 mit einem Gewindepaßstück versehen ist, das eine Einrichtung zum Anbringen eines Druckfühlers, Meßgerätes oder einer anderen Einrichtung zur Messung des Drucks in dem hydrostatischen Lager darstellt. Da der Druck des hydrostatischen Lagers für die geeignete Dämpfung der Vibration wichtig ist, ist ein weiterer Druckfühler 40 vorgesehen. Der Druckfühler 40 zeigt den Schmierfluiddruck stromabwärts der hydrostatischen Tasche und allgemein benachbart zum hydrodynamischen Lager zwischen der Welle 11 und den inneren Lagerhälften 14 und 15 an.

Das zu den Einlassen bzw. den Paßstücken 23 und 33 zugeführte Schmierfluid kommt von einer unabhängigen Quelle eines unter Druck stehenden Hydraülikfluids, wie zum Beispiel einer elektrisch betriebenen Hydraulikpumpe, einem Sammelbehälter oder einer anderen hydraulischen Quelle.

Eine derartige Quelle liefert Schmierfluid unabhängig von der Drehung der Welle 11. Das unter Druck stehende Schmierfluid gelangt zu den Einlassen bzw. Paßstücken 23 und 33 mit einem konstanten Druck über den gesamten Geschwindigkeits- und Belastungsbereich der Welle 11. Bei der in den Figuren 1 bis 8 dargestellten Ausführungsform gelangt das Schmierfluid in die Einlasse bzw. Paßstücke 23 und 33, es ist jedoch verständlich, daß bei anderen Ausführungsformen das öl den Bohrungen 24 und 34 über Rohrleitungen zugeführt werden kann, die mit den Gewindebohrungen verbunden sind, die die Abschlußschrauben 65, 66, 67 und 68 aufnehmen. Eine derartige axiale ölzuführung kann besonders bei geteilten Lagern von Vorteil sein, wo die oberen und unteren Lagerhälften getrennt versorgt werden, wobei beispielsweise das öl in die den Abschlußschrauben 67 und 66 entsprechenden Bohrungen zugeführt wird.

Fig. 2 zeigt die obere Hälfte des äußeren Lagers 13, welches mit der unteren Lagerhälfte 12 mittels Schrauben 61 und 62 verspannt ist. Teilweise geschnitten ist die Außenfläche des inneren Lagers 15 dargestellt, wobei man eine der hydrostatischen Taschen 31 sieht. Benachbart zur Tasche 31 sind die Sammelkanäle 41a und 41b angeordnet, die jeweils entsprechende Bohrungen 43a und 43b aufweisen, die das hydrodynamische Lager nach innen versorgen. Im folgenden soll unter axial die zentrale Achse der Welle verstanden werden, die allgemein der Drehachse der Welle entspricht. In Fig. 2 sieht man Dichtringe 54a und 54b, die axial außerhalb der am Umfang angeordneten, ringförmigen

) Fluidsammelkanäle 41a und 41b angeordnet sind.

Fig. 4 zeigt die inneren Lagerhälften 14 und 15 zur Ausbildung des inneren Lagers. Man sieht, daß die innere Umfangsflache 46 ein Gleitlager ausbildet. Andere bekannte Arten von hydrodynamischen Lagern können an der Fläche 46 angepaßt werden, öl oder ein anderes Schmierfluid wird dem Lager mittels der Bohrungen 4 3a und 42a zugeführt. Das dem inneren Lager zugeführte öl wurde vorher in den ringförmigen Fluidsammelkanälen 41a und 41b nach dem Durchgang durch die hydrostatische Quetschfilmschicht gesammelt. Ebenfalls sieht man in Fig. 4 in der Außenfläche der inneren Lagerhälften 14 und 15 die ringförmige Dichtnut- 44a. Die Dichtnuten 44a und 44b sind besser in Fig. 5 dargestellt. Be-..-kannte Dichtungen, wie zum Beispiel federndes Dichtungsmaterial oder O-Ringe, können in den Dichtnuten 44a und 4 4b angeordnet werden, um den Ringraum zwischen dem inneren und äußeren Lager wirksam abzudichten.

Ebenfalls sieht man in Fig. 5 die ringförmigen] Fluidsammelkanäle 41a und 41b. Die Fluidsammelkanäle 41a |ind 42b sind von der äußeren Umfangsflache 45 des inneren Lägers 15 beabstandet angeordnet. Der hydrostatische Quetscshfilm wird

längs der Außenfläche 45 der inneren Lagerhälften 14 und 15 ausgebildet. Das in den Kanälen 41a und 41b·gesammelte Schmierfluid wird dann mittels der Saimnelbohrungen 43a, 43b und 42a und 42b dem auf der Innenfläche 46 ausgebildeten hydrodynamischen Lager zugeführt, wie man dies in Fig. 4 und 5 sieht. Die bevorzugte Ausführungsform verwendet derartige Kanäle, um das Schmierfluid von den äußeren Sammelkanälen 41a und 41b dem auf der Fläche 46 ausgebildeten hydrodynamischen Lager zuzuführen.

Fig. 3 zeigt die untere Lagerhälfte 12 des äußeren Lagers. Man sieht zwei hydrostatische Taschen 21 und 22. Diese Taschen werden mittels der Bohrungen 25 bzw. 26 mit Schmierfluid versorgt, welches von dem Verteilerkanal 24 zugeführt wird. Die Öffnungen der Bohrungen 25 und 26 in den Taschen können irgendeinen Durchmesser aufweisen, der den Betriebsparametern des hydrostatischen Lagers entspricht. Die Öffnungsgröße der Bohrungen in den Taschen 21, 22 und 31, 32 können mittels Blenden begrenzt werden, so daß sie als Durchflußbegrenzer wirken. Bei anderen Ausführungsformen können entfernbare Blenden oder andere Begrenzungseinrichtungen verwendet werden.

In Fig. 1 sieht man, daß die Taschen 21, 22 und 31, 32 um die Achse der Welle im gleichen Abstand angeordnet und mittels Vorsprüngen 50, 51, 52, 53 an den äußeren Lagerhälften 13 und 12 getrennt angeordnet sind. Der Ringraum benachbart zu diesen Vorsprüngen 50, 51, 52, 53 wirkt als hydrostatische Quetschfilmzone. Im Betrieb des Lagers wirkt das hydrostatische Lager zur Zentrierung des inneren Lagers innerhalb des äußeren Lagers und zur Dämpfung der von der Welle zum inneren Lager übertragenen Vibration. Der radiale Abstand zwischen der Außenfläche des inneren Lagers und der Vorsprünge 50, 51, 52, 53 kann bei der Lagerauslegung so verändere werden, daß der Quetschfilm die

Welle über ihren Geschwindigkeits- und Lastbereich gleichmäßig dämpft und lagert. Weiter wird zusätzlich zu den Vorsprüngen 50 bis 53 ein hydrostatischer Quetschfilm in dem Ringraum zwischen dem inneren und äußeren Lager benachbart zu den hydrostatischen Taschen 21, 22, 31 und ausgebildet. Einige dieser Zonen sind in Fig. 8 mit den Buchstaben e, f, g und h gekennzeichnet.

Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausfuhrungsform, bei der das äußere Lager aus einer oberen Lagerhälfte 83 und einer unteren Lagerhälfte 82, und das innere Lager aus einer oberen Lagerhälfte 84 und einer unteren Lagerhälfte 85 besteht. In der in Fig. 6 dargestellten Ausführungsform gelangt das Schmierfluid, wie zum Beispiel öl, im allgemeinen radial durch Kanäle mit Durchflußbegrenzern 97a, b, c, d nach innen. Das Hydraulikfluid füllt dann die Taschen 86a, b, c, d benachbart zu den entsprechenden Durchflußbegrenzern.· Das Schmierfluid umgibt dann die inneren Lagerhälften 85 und 84 ^und bildet einen dünnen Quetschfilm zwischen den benachbarten Flächen der äußersten Flächen der inneren Lagerhälften 84 und 85 und benachbarten Teilen der innersten Fläche der äußeren Lagerhälften 83 und 82 aus. Wie man in Fig. 6 sieht, sind einige dieser benachbarten Flächenzonen die Zonen, die die gleich beabstandeten Taschen 86 trennen. Der zwischen den Vorsprüngen, die die Taschen trennen, und zwischen der äußeren Fläche des inneren Lagers ausgebildete Quetschfilm ist in Fig. 6 mit den Buchstaben a, b, c und d bezeichnet. Es wird unterstellt, daß andere Vorsprünge auf der Innenfläche der äußeren Lagerhälften ebenfalls als den dünnen Quetschfilm tragende Abschnitte verwendet werden. Zur Darstellung sind in Fig. 6 nur die Zonen a, b, c und d gezeigt. Das Schmierfluid von dem hydrostatischen Lager fließt durch die Bohrungen 87a und 87c, um das Schmierfluid für das innere hydrodynamische Lager 88 zu liefern, welches die sich drehende Welle 81 trägt.

Wenn die Welle 81 im Betrieb vibriert oder nicht ausgewuchtet ist, oder wenn dynamische Belastungen auftreten, schafft das innere hydrodynamische Lager 88 eine geringe Dämpfung und wirkt als starre übertragung derartiger Vibrationskräfte auf die inneren Lagerhälften 84 und 85.

Während einer derartigen Vibration wird eine Vibration der inneren Lagerhälften 84 und 85 oder eine exzentrische Bewegung der Lagerhälften 84 und 85 im Bezug auf das hydrostatische Lager bewirkt, wodurch mindestens einer der Spalte a, b, c oder d schmaler wird. Dieses Verringern des Quetschfilms bewirkt eine Verminderung der ölströmung durch die Quetschfilmzone. Diese sich ergebende verminderte Strömung erzeugt einen höheren Druck innerhalb der benachbarten Tasche und innerhalb der Quetschfilmzone. Eine derartige Drucksteigerung wirkt radial nach innen, um die innere Lagerhälfte und die Welle kraftvoll zur Zentrizität zurückzuführen. Wie man sehen kann, kann bei der Verwendung einer unabhängigen ölsversorgung zur Schaffung des Druckes des hydrostatischen Lagers ein derartiges hydrostatisches Lager zur optimalen Vibrationsdämpfung ohne Berücksichtigung der Rotationsgeschwindigkeit der Welle ausgelegt werden. Zusätzlich zu den Quetschfilmen a, b, c und d, die in Fig. 6 dargestellt sind, wird unterstellt, daß andere axial zu jeder der Taschen beabstandete Quetschfilme verwendet werden, um die Dämpfung in dem hydrostatischen Lager sicherzustellen.

In Fig. 7 ist ein Querschnitt der Lagerodnung von Fig. 6 dargestellt, öl oder ein anderes Schmierfluid tritt in das Lager ein und wird durch Strömungsbegrenzer 97d und 97b radial nach innen in die Taschen 86b bzw. 86d geleitet. Dann wird ein dünner hydrostatischer Quetschfilm zur Lagerung der inneren Lagerhälften 84 und 85 in den Zonen zwischen der Innenfläche des äußeren Lagers und der Außenfläehe des inneren Lagers, zum Beispiel in den Zonen e, f, g und h ausgebildet. Diese Zonen befinden sich seitlich der

Taschen 86b und 86d und sind zusätzlich zu den dünnen Quetschfilmzonen a, b, c und d von Fig. 6 vorgesehen. Das durch die Zonen e, f, g und h fließende öl wird in den ringförmigen Sammelkanälen 94a und 94b gesammelt. Das hydrostatische Lager ist an jedem axialen Ende mittels federnder Dichtungen 89a und 89b abgedichtet. Das Öl fließt weiter radial durch die Bohrungen 87a/ b, c und d nach innen zum inneren dynamischen Lager 88. Der dem hydrodynamischen Lager 88 zugeführte Öldruck ist ausreichend, um eine Rotationslagerschmierung auszubilden. Man sieht in Fig. 7, daß die ölströmung durch das aus einem hydrostatischen und einem hydrodynamischen Lager bestehende Lager allgemein nach innen gerichtet ist, mit der Ausnahme der Strömung in der dünnen Quetschfilmschicht selbst. Die ölströmung in der dünnen Quetschfilmschicht ist allgemein axial im Bezug auf die Drehung der Welle ausgerichtet. Man sieht, daß der Abstand zwischen der Welle 81 und dem inneren Lager 85 so ist, daß das Hydraulikfluid aus dem axialen Ende des hydrodynamischen Lagers 88 herausfließt. Das ausfließende öl 0 stellt den Auslaß des Strömungswegs des Hydraulikfluids aus dem Lager dar. Andere bekannte Formen des Ausfließens. des Fluids aus dem hydrodynamischen Lager können ebenfalls verwendet werden, so daß ein Strömungsweg durch den Quetschfilm ausgebildet wird, und so daß das hydrodynamische Lager entsprechend gekühlt wird.

Fig. 8 ist eine schematische Darstellung der inneren Lagerfläche der äußeren Lagerhälften 82 und 83 von Fig. 6 in abgewickelter linearer Form. Die innere Lagerfläche der äußeren Lagerhälften umfaßt vier Taschen 86a, b, c und d. Diese Taschen sind im allgemeinen gleichwinklig um die Achse der Welle angeordnet und von allgemein gleicher Abmessung. Hierdurch werden bestimmte Vorsprünge zwischen den benachbarten Taschen, wie zum Beispiel die Vorsprünge a, b, c, d, ausgebildet. Diese Vorsprünge wirken als Außen-

fläche eines dünnen hydrostatischen Quetschfilmlagers. Zusätzlich können bestimmte Vorsprünge als Oberfläche für das dünne Quetschfilmlager an den Stellen e, f, g und h (siehe Fig. 7) vorgesehen sein. Es wird unterstellt, daß die gesamte Flächenzone der inneren ümfangsflache der äußeren Lagerhälften 83 und 82 als Quetschfilmlagerflache verwendet werden kann. Eine derartige zusätzliche Zone schließt ein, daß die Oberfläche zwischen den Linien 90 und 91 keine Taschen aufweist. Die Linien 90 und 91 stellen die Stelle dar, an der entweder Dichtungen angeordnet sind, oder das Sammeln des Öls mittels der Ringkanäle 43 in dem hydrostatischen Lager .stattfindet. Man sieht aus der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform, daß ein im wesentlichen dünnes Quetschfilmlager axial seitlich jeder Tasche ausgebildet wird, wie zum Beispiel an den Flächen e und f, die sich seitlich im Bezug auf die Tasche 86b befinden .

Die Schmierfluid- oder ölströmung in der in Fig. 8 dargestellten Ausführungsform läßt das öl in die Taschen 86a, b, c und d durch entsprechende Strömungsbegrenzer oder Blenden 97a, b, c und d eintreten. Nach dem Füllen jeder der Taschen 86a, b, c und d fließt das öl dann von jeder Tasche in die benachbarten Zonen längs der Innenfläche der äußeren Lagerhälften, beispielsweise durch h, nach außen, um eine dünne Quetschfilmschicht zwischen der äußeren zylindrischen Fläche der inneren Lagerhälften auszubilden.

Während die Taschen 86a, b, c und d von der Geometrie der 0 Innenfläche des äußeren Lagers flach sind, sind sie insofern tief, als die Tiefe der Taschen um Vielfaches größer als die Dicke des zwischen den inneren und äußeren Lägern ausgebildeten Quetschfilm ist.

Wie bereits oben beschrieben, ist es wünschenswert, das innere hydrodynamische Lager relativ starr im Bezug auf das äußere hydrostatische Lager so auszubilden, daß eine Vibrationsdämpfung wirkungsvoll in der Zone des hydrostatischen Quetschfilms auftritt. Da der Teil des Quetschfilms des Lagers keinen Querkopplungseffekt auf das hydrodynamische Lager ausübt, ist der Konstrukteur frei, die gewünschte Starrheit und die gewünschte Dämpfungsverteilung unabhängig durch die Auswahl der Abmessungen und Drücke des hydrostatischen Quetschfilms festzulegen. Die bevorzugte Ausführungsform ist mittels einer unabhängigen Quelle für unter Druck stehendes Schmierfluid gezeigt, wobei ein wirksames Lagersystem ausgebildet wird, mit dem eine drehbare Lagerung und Vibrationsdämpfung über einen weiten Geschwindigkeits- und Lastbereich erreicht wird.

Leerseite

Claims (9)

Joy Manufacturing Company Pittsburgh, Pennsylvania 15222, USA Lager Patentansprüche

1.) Lager,gekennz eichnet durch

ein inneres, längliches, zylindrisches Lagerteil (14, 15; 84, 85) mit einer zentralen, durchgehenden Axialbohrung zur drehbaren, hydrodynamischen Lagerung einer Welle (11, 81);

- ein äußeres, längliches Lagerteil (12, 13; 82, 83) mit einer zentralen, durchgehenden, das innere Lagerteil (14, 15; 84, 85) umgebenden Axialbohrung, wobei die Innenfläche des äußeren Lagerteils (12, 13; 82, 83) von der Außenfläche des inneren Lagerteils (14, 15; 84, 85) zur Ausbildung einer Kammer radial beabstandet ist;

- zusammenfallende, zentrale Achsen der Bohrungen;

- axial beabstandet angeordnete, mit den Lagerteilen (14, 15; 84, 85; 12, 13; 82, 83) zur Ausbildung eines abgeschlossenen Volumens in der Kammer zusammenwirkende Dichtungen (54a, '54b; 89a, 89b);

- mindestens drei, in mindestens einem der Lagerteile (14, 15; 84, 85; 12, 13; 82, 83) angeordnete, in mit der Kammer in hydraulischer Verbindung stehende, sich in Bezug auf die Kammer radial erstreckende und in Bezug auf die zentrale Achse gleichwinklig beabstandete Taschen (21, 22, 31, 32; 86a, b, c, d);

- erste, im äußeren Lagerteil (12, 13; 82, 83) angeordnete Kanäle (24, 34) zur Zuführung eines unter Druck stehenden Hydraulikfluids zu den Taschen (21, 22, 31, 32; 86b, d) und der Kammer;.

- zweite, im inneren Lagerteil (14, 15; 84, 85) angeordnete Kanäle (42, 43; 87a, b, c, d) zur strömungsmäßigen Fluidverbindung der Kammer mit der durchgehenden Bohrung des inneren Lagerteils (14, 15; 84, 85), wodurch ein Strömungsweg für das unter Druck stehende, durch die ersten Kanäle (24, 34) in die Taschen (21, 22, 31, 32; 86b, d) eintretende Fluid durch die Kammer zur Ausbildung eines hydrostatischen Lagers zur Lagerung des inneren Lagerteils (14, 15; 84, 85) und von den Taschen (21, 22, 31, 32; 86b, d) durch die zweiten Kanäle 42, 43; 87a, b, c, d) zur durchgehenden Bohrung des inneren Lagerteils (14, 15; 84, 85) zur Ausbildung eines hydrodynamischen Lagers zur Lagerung der Welle (11, 81) ausgebildet wird.

2. Lager nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch vier in der Oberfläche der durchgehenden Bohrung des äußeren Lagerteils (12, 13; 82, 83) ausgebildete, radial so voneinander beabstandete Taschen (21, 22, 31, 32; 86a, b, c, d), daß die vier zwischen den Taschen (21, 22, 31, 32; 86a, b, c, d) ausgebildeten Vorsprünge (51, 52, 53, 54) im wesentlichen gleiche Flächen aufweisen, und in denen die Strömung des Schmierfluids ein Schmierfilmlager (squeeze film bearing) in der Kammer in der offenen Zone benachbart zu den Taschen (21, 22, 31, 32; 86a, b, c, d) und in der Kammer axial zwischen den Taschen (21, 22, 31, 32; 86a, b, c, d) und den Dichtungen (54a, 54b; 89a, 89b) ausbildet.

3. Lager nach Anspruch 1., dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Kanäle (42, 43; 87a, b, c, d) mindestens einen sich rund um den zylindrischen äußeren Umfang des inneren Lagerteils (14, 15; 84, 85) erstreckenden, axial zwischen den Dichtungen (54a, 54b; 89a, 89b) und den Taschen (21, 22, 31, 32; 86a, b, c) angeordneten Ringkanal (41a, b; 94a, b) umfassen.

4. Lager nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

zeichnet , daß das hydrodynamische Lager im inneren Lagerteil (14, 15; 84, 85) bei der Aufnahme radial auf die Welle (11, 81) einwirkenderLasten im Vergleich zur Aufnahme radialer Lasten mittels des zwischen der Kammer zwischen den inneren und äußeren Lagerteilen ausgebildeten hydrostatischen Lagers relativ starr ist.

5. Lager nach .Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Einrichtung (23, 33) zur Verbindung des ersten Kanals (24, 34) mit einer Versorgungsquelle für unter Druck stehendes Hydraulikfluid vorgesehen ist.

6. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß eine Hydraulikpumpeinrichtung zur Zuführung des Schmierfluids zum ersten Kanal (24, 34) im äußeren Lagerteil (12, 13; 82, 83), der zu den Taschen (21, 22, 31, 32; 86a, b, c, d) führt, vorgesehen ist, und daß der erste Kanal (24, 34) Strömungsbegrenzer (25, 35; 97a,b,c,d) zur Begrenzung der Strömung im ersten Kanal (24,

34) aufweist.

7. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Kanal (42, 43; 87a, b,c,d) mindestens zwei sich radial erstreckende Kanäle (42, 43; 87a, b, c, d) an gegenüberliegenden axialen Abschnitten des

inneren Lagerteils (14, 15"; 84, 85) von den Taschen J21, 22, 31. >2j 86a,b,c,d) beabstandet aufweist, und daß die Kammer teilweise von der Zone zwischen den Taschen (21, 22, 31, 32; 86a, b, c, d) und den Kanälen (42, 43; 87a, b, c, d) begrenzt wird. ^ ^* ^

8. Lager zur drehbaren Lagerung einer Welle, g e kennzeichnet durch

- ein inneres Lagerteil (14, 15; 84, 85) zur hydrodynamisehen drehbaren Lagerung der Welle (11, 81);

- ein äußeres Lagerteil (12, 13; 82, 83) zur hydrostatischen Lagerung des inneren Lagerteils (14, 15; 84, 85);

χ,- eine Pumpeinrichtung zur Zuführung eines unter Druck ^stehenden Schmierfluids zum Lager; - meftrere, im äußeren Lagerteil (12, 13; 82, 83) zwischen / den Lagerflächerixdes äußeren Lagerteils (12, 13; 82, 83) angeordnete Taschen (21, 22, 31, 32; 86a, b, c, d);

- Kanäle (24, 34) zur Zuführung des unter Druck stehenden Schmierfluids zu/den Taschen (21, 22, 31, 32; 86a, b,

c, d); ^{K K}

- benachbart zu den Taschen (21, 22, 31, 32; 86a, b, c, d) des äußeren Lagerteils (12, 13; 82, 83) angeordnete Vorsprünge (50, 51, 52, 53), so daß das Schmierfluld in den Taschen (21, 22, 31, 32; 86a, b, c, d) strömungsmäßig mit den Vorsprüngen (50, 51, 52, 53) in Verbindung steht, wodurch ein dünner Schmierfilm (squeeze film) zwischen den äußeren Lagerflächen aufgebaut wird; und

- eine Einrichtung (42, 43; 87a, b, c, d) zur strömungsmäßigen Verbindung des Schmierfluids durch den dünnen Schmierfilm zu dem hydrodynamischen inneren Lagerteil (14, 15; 84, 85).

9. Lager nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß das innere Lager (14, 15; 84, 85) zur Aufnahme auf die Welle (11,81) einwirkender l-adialer

Lasten im Vergleich zur Aufnahme radialer Lasten mittels des hydrostatischen äußeren Lagers (12, 13; 82, 83) relativ starr ist.