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Lagerung von rasche Drehschwingungen ausführenden, durch Querkräfte
belasteten Achsen oder Wellen Die Erfindung betrifft die Lagerung von rasche Drehschwingungen
ausführenden, :durch Querkräfte belasteten Achsen oder Wellen und bezieht sich insbesondere
darauf, solche Achsen oder Wellen in der Längsrichtung festzulegen, also axiale
Verschiebungen ,derselben zu verhindern.
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Bei Achsen oder Wellen, welche ständig oder wenigstens längere Zeit
im gleichen Sinn umlaufen, ist es bekannt, zur Aufnahme der auf die Achse oder Welle
einwirkenden Querkräfte Lager (sog. Querlager) vorzusehen, die als Gleit- oder Wälzlager
ausgebildet sein können und die .lediglich zur Aufnahme dieser Querkräfte eingerichtet
sind, und zum Zweck der Festlegung der Achse oder Welle in axialer Richtung besondere,
zur Aufnahme von Axialkräften geeignete Lager (Längslager) anzuordnen, die als Wälzlager
ausgebildet sind. Hierbei können die Quer- und Längslager eine konstruktive Einheit
bilden, z. B. einen Laufring gemeinsam haben, oder sie können konstruktiv getrennt
angeordnet sein. Soweit diese bekannten Ausführungen Längslager enthalten, welche
Wälzbahnen verschiedenen Durchmessers aufweisen (wie dies bei Rollen-, Kegel- oder
Hochschulterkugellagern der Fall :ist), sitzen die Wälzkörper immer möglichst spielfrei
zwischen diesen Wälzbahnen. Ein bekanntes Beispiel der Lagerung eines Laufradsatzes
auf einer Achse mit konstruktiv getrennter Quer- und Längslagerung zeigt zwei in
Abstand voneinander angeordnete, nur zur Aufnahme von Querkräften
eingerichtete
Rollenlager mit verhältnismäßig dünnen und langen Rollen und ein dazwischen angeordnetes
Hochschulterkugeslager, welches zur Aufnahme von Axialkräften in beiden Richtungen
geeignet ist und zur Festlegung der Achse in der axialen Richtung .dient.
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Eine solche Ausgestaltung,der Lagerung hat den Nachteil, da.ß; sobald
die Achse infolge ihrer Belastung durch Querkräfte eine Durchbiegung erfährt, auch
das Längslager in (der Richtung quer zur Achse. belastet wird, während gerade das
umgekehrte, nämlich die möglichste Fernhaltung aller Querkräfte vom Längslager anzustreben
ist.
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Uni dieses Fernhalten: von Querkräften vom Längslager mit Sicherheit
zu erreichen, ist es weiterhin bekannt, das zur Aufnahme von Axialkräften in beiden
Richtungen geeignete Längslager in den die Lagerung tragenden Körper so einzubauen,
daß der äußere Laufring des Längslagers einen etwas kleineren Durchmesser hat als
die diesem: Ring aufnehmende Höhlung des genannten Körpers. Außerdem hat .dieser
äußere Laufring in dem genannten Körper in axialer Richtung so viel Spiel, daß er
sich in radialer Richtung verschieben kann. Erfährt also die Achse an !der Stelle,
an der das Längslager sitzt, infolge auf sie einwirkender Querkräfte eine Verbiegung,
so kann das Längslager dieser Verbiegung ungehindert folgen und wird -demzufolge
nicht durch Querkräfte belastet.
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Es hat sich gezeigt, daß diese bekannten Lagerungen den rin bezug
auf Betriebssicherheit und Lebensdauer zu stellenden Anforderungen nicht genügen,-
wenn es sich darum handelt, rasch hin und her schwingende Achsen oder Wellen, namentlich
dann, wenn diese durch beträchtliche Querkräfte belastet sind, in der Längsrichtung
festzulegen.
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Nach der Erfindung -wird bei der Lagerung von rasche Drehschwingungen
ausführenden, durch Querkräfte belasteten Achsen oder Wellen neben .den lediglich
zur Aufnahme von Querkräften eingerichteten Querlagern ein besonderes, zur Aufnahme
von Axialkräften in beiden Richtungen ausgebildetes Wälzlager angeordnet; das in
radialer Richtung eine jegliche Belastung durch Querkräfte ausschließendes Spiel
hat; dieses Spiel ist jedoch zwischen den Wälzkörpern und ihren Laufringen vorgesehen.
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Die förtschrittäche Wirkung der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der
Lagerung gegenüber den zuletzt erwähnten bekannten Einrichtungen ergeben sich aus
folgender Betrachtung.
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Die Ausgestaltung nach der Erfindung hat zunächst, gleichgültig, in
welcher Art sich die Achse bewegt, ob gleichmäßig umlaufend oder schwingend, den
Vorteil; daß der äußere Laufring des Längslagers, in dem die Lagerung aufnehmenden
Gehäuse festgelegt werden kann. Bei . den bekannten Einrichtungen muß .`dieser Laufring
so eingebaut sein, daß ,er in radialer Richtung verschieblich ist. Er wird,deshalb,
wenn keine Längskraft auftritt, die Drehung,der Achse wenigstens zu einem Teil mitmachen
und nur beim Auftreten einer Längskraft durch :die Reibung an seinem Gegenlager
festgehalten. Bei wechselweise verschwindender und wieder auftretender Längskraft
wird deshalb der Ring an seinem Gegenlager schleifen, wodurch unerwünschte Abnutzung
auftreten kann. Erfährt die Achse infolge einer Belastung durch wechselnde Querkräfte
wechselnde Dürchb egungen und tritt gleichzeitig eine beträchtliche Längskraft auf;
so muß der unter dem Druck dieser Längskraft am Gegenlager anliegende Außenring
diesen Wellenverbiegungen folgen, er erfährt also hierbei gegenüber seinem Gegenlager
ständig kleine Verschiebungen in radialer Richtung. Diese unter hoher Belastung
erfolgenden Relativbewegungen haben ebenfalls eine entsprechende Abnutzung zur Folge;
um so mehr, als die Flächen hierbei nicht relativ zueinander umlaufen und deshalb
eine Schmierstoffzufuhr zwischen die Flächen erschwert ist.
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Diese Nachteile sind bei der Lagerung nach der Erfindung, bei welcher
der äußere Laufring des Längslagers dauernd festgelegt ist, von vornherein ausgeschaltet.
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Besonders bedenkliche Nachteile ergeben sich aber dann, wenn die bekannten
Einrichtungen zur Lagerung von Achsen verwendet werden, die rasche Schwingungen
ausführen. In diesem Fall bleibt der Außenlaufring des Längslagers auch dann praktisch
in Ruhe, wenn auf Idas Lager keins Längskraft einwirkt, weil er infolge seiner Massenträgheit
den ihre Richtung schnell wechselnden Mitnahmekräften, welche durch die rollende
Reibung der Wälzkörper dargestellt werden und demzufolge relativ klein sind, nicht
folgen kann. Die praktisch spielfrei zwischen den Laufringen liegenden Wälzkörper
rollen sich deshalb bei jeder Hinundherschwingung der Achse bald in ider einen,
bald in der anderen Richtung an diesen so gut wie ruben@ den äußeren Laufringen
ab. Bei jeder Bewegungs- . umkehr haben dieWälzkörper infolge ihrerMassenträgheit
das Bestreben, :die ihnen vorher erteilte Umlaufbewegung beizubehalten. Die Folge
davon ist, :daß bei jedem solchen Richtungswechsel ein Gleiten zwischen den Wälzkörpern
und dem Laufring stattfindet. Dieses Gleiten hat naturgemäß eine relativ schnelle
Abnutzung und bei längerem Betrieb ein. Heißwerden der Wälzkörper und der Laufringe
zur Folge, und zwar auch dann, wenn das Läger nicht durch eine Längskraft belastet
ist. i Diese Erscheinung erklärt, daß-#die üblichen Längslager sich zur axialen
Festlegung von durch hohe Querkräfte belasteten, schnell (etwa mit Schwingungszahlen
von iooo je Minute und mehr) hin und her schwängernden Achsen nicht bewährt haben.
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Diese, erst bei der- Lagerung schnell hin und her schwingender Achsen
auftretenden schädlichen Erscheinungen werden beim Erfindungsgegenstand vermieden.
Infolge -des zwischen den Wälzkörpern und ihren Laufringen vorhandenen Radialspiels
i: können bei unbelastetere Lager zwischen :den Wälzkörpern und den Laufringen keine
irgendwie nennenswerten Reibungskräfte auftreten. Soweit die Wälzkörper deshalb
bei der Hinundherschwingung des Innenringes von diesem überhaupt mit- 1; genommen
werden, können sie bei der Richtungs-
Umkehr sich unbehindert relativ
zum Laufring weiterdrehen, d ,a sie ja höchstens durch ihr eigenes Gewicht, das
aber im Verhältnis zu dem eines äußeren Laufringes sehr gering ist, am inneren Laufring
anliegen. Die Wälzkörper und Laufringe können deshalb auch keine nennenswerte Abnutzung
erfahren. Ist das Längslager dagegen durch eine Längskraft belastet, so werden die
Wälzkörper :durch diese Längskraft gegen ihre Anlagestellen an den Laufringen angedrückt;
dadurch wird die Reibung zwischen diesen Teilen so groß, daß sie das Bestreben der
Wälzkörper, bei der Richtungsumkehr sich in dem ihnen vorher erteilten Drehsinn
weiter zu drehen., überwiegt, so daß in diesem Fall ein relatives Gleiten zwischen
den Wälzkörpern, und .den Laufringen höchstens in geringem Maß eintreten wird. Das
radiale Spiel zwischen den Wälzkörpern und den Laufringen begünstigt auch die Schmierstoffverteilung
innerhalb des Lagers, was weiterhin zu einem guten Laufverhalten beiträgt.
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Das Längslager kann beispielsweise als Rollenlager ausgebildet seine,
dessen Rollen parallel zur VVellenachs:e liegen und dessen beide Laufbahnen beiderseits
mit Bunden versehen sind, zwischen denen die Rollen laufen. Ferner kann dieses Längslager
auch als Hochschulterkugellager ausgestaltet sein.
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Es ist zweckmäßig, dieses, Längslager in an sich bekannter Weise käfiglos
auszubilden und dessen Wälzkörper in dichter Aufeinanderfolge anzuordnen.
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Von besonderer Bedeutung ist die Erfindung für die Lagerung der Zahnrad-
bzw. Schwinghebelachsen im Verbindungsgetriebe von Freiflugkolbenmaschinen mit gegenläufigen
Massen, die durch dieses Verbindungsgetriebe zum Lauf im Gleichtakt gezwungen werden.
Entweder trägt hierbei jede Flugmasse ,eine Zahnstange und beide Zahnstangen greifen
an einander diametral gegenüberliegenden Punkten in ein an :der Maschine drehbar,
aber unverschieblich gelagertes Zahnrad ein, oder es greift an jeder Flugmasse das
eine Ende eines Lenkers an, während die anderen Lenkerenden an die äußeren Enden
eines in der Mitte schwingbar gelagerten Schwinghebels angeschlossen sind. Die Achse
-dieses Zahnrades bzw. Schwinghebels führt also im Betrieb eine schnell hin und
her schwingende Bewegung aus. Wenn .die auf die beiden Flugmassen einwirkenden Kräfte
aus irgendwelchen Gründen ungleich groß sind, muß diese Achse und ihre Lagerung
die Differenzkraft auf das Maschinengestell übertragen. Diese Differenzkräfte können
unter Umständen, erhebliche Beträge .annehmen. Der heftige Wechsel der Bewegungsrichtung
und die dementsprechend schnell an-und abschwellenden, also stark stoßweise auftretenden
Differenzkräfte ergeben sehr ungünstige Lagerbeanspruchungen. Man kann weiterhin
diese hin und her schwingenden Achsen zum Antrieb von Hilfseinrichtungen, z. B.
Brennstoffpumpen, Kühlwasserpumpen u. dgl. heranziehen, wodurch ebenfalls erhebliche
Querkräfte auf diese Achsen über- e tragen werden. Die betriebssichere Lagerung
dieser Achsen bot deshalb bisher beträchtliche Schwierigkeiten. Es hat sich gezeigt,
daß diese Schwierigkeiten bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Lagerung in
Fortfall kommen; es ist also hiermit eine voll betriebssichere Lagerung geschaffen.
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Die Zeichnung zeigt Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
im Mittellängsschnitt, und zwar Abb. i ein Beispiel, bei dem die Querlager als Gleitlager
ausgebildet sind, Aibb. 2 ein Beispiel, bei welchem als Querlager Nadellager vorgesehen
sind.
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In beiden Fällen ist das Längslager als Rollenlager ausgebildet.
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Abb.3 veranschaulicht die Verwendung eines Hochschulterkugellagers
als Längslager.
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Gemäß Abb. i ist die eine hin und her schwingende Bewegung auisführende
Achse i eines Zahnrades 2 in zwei an einer festliegenden Grundplatte 3 angeordneten
Gleitlagern, jedes bestehend aus einem Lagerkörper d., den Lagerschalen 5, 6 und
dem Lagerdeckel 7, so, gelagert, daß diese Lager nur Querkräfte, keineLängskräfte,
aufnehmen. Zwischen den beiden Gleitlagern ist auf der Achse i ein Nocken 8 fest
angeordnet, der beispielsweise zum Antrieb des Kolbens einer nicht dargestellten
Brennstoffpumpe dient. Zur Festlegung der Achse i und somit auch des Zahnrades 2
in axialer Richtung ist am freien Eiode der Achse ein Rollenlager vorgesehen. Der
zweiteilige, den eigentlichen Laufring ii und einen besonderen Bund 12 umfassende
Inn@enlaufkranz ist mittels der Mutter 13 auf dem Achszapfen 14 festgelegt. Der
beiderseits einen Bund aufweisende Außenlaufkranz 15 ist mittels der Ringschraube
16 in dem an der Grundplatte 3 festsitzenden Lagerauge 17 festgelegt. Die zwischen
die Wälzbahnen i i, 12 und 15 eingefügten rollenartigen Wälzkörper 18 haben. gegenüber
den Wälzbahnen ein radiales Spiel, welches so groß ist, daß auftretende Querkräfte
stets nur von den Gleitlagern aufgenommen, vom Längslager aber ferngehalten werden.
In der Achse i auftretende Axialkräfte werden je nach ihrer Richtung vom linken
oder rechten Bund des, inneren Laufringes 11, 12 auf die Wälzkörper 18, von diesen
auf den gegenüberliegenden Bund des äußeren Laufringes 15 übertragen und von dort
an die festliegenden Teile 17 bzw. 3 weitergeleitet.
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Die Hinuadherdrehung der Achse i erfolgt durch im Gleichtakt hin und
her gehende Zahnstangen 21, 22, die in festliegenden Führungen 23, 24 so geführt
sind, daß sie an einander diametral gegenüberliegenden Stellen in :das Zahnrad 2
eingreifen.
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Die Anordnung nach Abb.2 unterscheidet sich von derjenigen nach Abb.
i im wesentlichen nur dadurch, da ß ,die Lager, welche die, auf die Achse i entfallenden
Querkräfte aufzunehmen haben, nicht als Gleitlager, sondern. als Nadellager ausgebildet
sind. Die Achse i ist in dem dem Zahnrad 2 benachbarten Teil dicker als in dem weiter
entfernten Teil ausgebildet und. bildet dort unmittelbar die Lauffläche für die
Nadeln 26 des dem Zahnrad :2
benachbarten Querlagers. Diese Nadeln
laufen in einem ihre Stirnseiten übergreifenden Außenring 27; der in einen festliegenden
Lagerkörper 28 eingesetzt und darin mittels Sprengringes 29 gehalten ist. Bei dem
anderen, von dem Zahnrad 2 weiter ab liegenden Querlager, das ebenfalls als Nadellager
ausgebildet ist, laufen die Nadeln 36 auf einem auf die Achse i aufgeschobenen Lind
gegen deren Schulter 34 sich anlegenden Innenring 35 und ferner in einem im Lagerkörper
38 festgelegten, an einem Sprengring 35 anliegenden Außenring 37. Der Außendurchmesser
des Innenringes 35 ist ebenso groß wie der als Lauffläche für die Nadeln 26 2dIenende
Teil der Achse i, so.daß beide Nadellager gleiche Abmessungen aufweisen. Zwischen
den beiden Querlagern ist ein Nocken 3o angeordnet, der zum Zweck . bequemeren Zusammenbaues
des Ganzem fürsich hergestellt, auf einen zwischen dem ,dickeren und Odem dünneren
Teil der Achse: i vorgesehenen Konus 31 aufgepaßt ist und mittels einer Mutter 32
festgehalten wird. Zur Festlegung der Achse i in axialer Richtung ist ein gleiches
Rollenlager wie in: dem Beispiel nach Abb. i vorgesehen, dessen Teile wie dort bezeichnet
sind. Der zweiteilige Innenlaufring i i, 12 dieses Rollenlagers stützt sich in axialer
Richtung gegen den Innenlaufring 3-5 des benachbarten: Nadellagers; beide Innenlaufringe
werden mittels der Mutter 13 auf der Achse z festgelegt. Der Außenlaufring 15 des
Rollenlagers liegt am Außenlaufring 37 des Nadellagers :an; beide Außenlaufringe
wex-den mittels der Schraube 16 am Lagerkörper 38-festgelegt.
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Abb. 3 zeigt die Anwendung eines Hochschulterkugellagers an Stelle
des in den Abb. i und 2 vorgesehenen Rollenlagers zur Festlegung der Achse i in
axialer Richtung: Dieses Lager besteht in an sieh bekannter Wise aus einem Innenlaufring
41, der mittels ,der Mutter 43 auf dem abgesetzten Teil ¢q. der Achse i in axialer
Richtung festgelegt ist, und aus einem zweiteiligen Außenlaufring 45, der mittels
der Schraube 46 am festliegenden Teil 47 festgelegt ist. Die Kugeln 43 dieses Lagers
haben wieder in radialer Richtung so viel Spiel; daß Querkräfte vorn diesem Lager
ferngehalten werden. Auch dieses Lager wird zweckmäßig als käfigloses Läger mit
dicht aufeinanderfolgenden Kugeln ausgebildet.