Lagervorrichtung mit einem Fanglager

Beschreibung Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Lagervorrichtung nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 . Aus der Praxis sind Lagervorrichtungen bekannt, bei denen ein Lager eine Welle drehbar lagert, wobei die Lagervorrichtung ein Fanglager aufweist, das bei einem Ausfall des Lagers die Welle aufnimmt, so dass die Welle in dem Fanglager auslaufen kann. Der auf die Welle weisende Lagerring des Fanglagers weist im normalen Betrieb der Lagervorrichtung einen Abstand zu der Welle auf und ist mechanisch unbelastet. Ist das Fanglager als Wälzlager ausgebildet oder umfasst das Fanglager mindestens ein Wälzlager, ist die Wälzlagerreihe dieses Wälzlager nicht oder durch ein zusätzliches Federmittel nur wenig mechanisch vorgespannt. Bekannt sind beispielsweise Lagervorrichtungen mit einem Magnetlager und einem Fanglager, das die in dem Magnetlager gelagerte Welle bei einem Stromausfall aufnimmt.

Bei dem Auftreffen der Welle in dem Fanglager treten hohe Kräfte und Beschleunigungen auf. Insbesondere, wenn das Fanglager aus Wälzlager ausgebildet ist und mindestens eine Reihe von Wälzkörpern umfasst, besteht die Gefahr, dass das Fanglager kurzfristig ausfällt, da die Wälzkörper eine hohe Anfangsbeschleunigung erfahren und aufgrund der fehlenden oder nur geringen mechanischen Vorspannung der Wälzkörper ein Schlupf auftritt, der eine Beschädigung sowohl der Wälzkörper als auch der Lagerringe des Fanglagers mit sich bringt, so dass nach einem oft nur einmaligen Betrieb das Fanglager ausgetauscht werden muss.

In der Praxis tritt häufig der Fall auf, dass die Welle unter einem Winkel, bezogen auf die Drehachse des auf die Welle weisenden Lagerrings des Fanglagers, auf diesen Lagerring auftritt. Ebenso tritt der Fall auf, dass die Welle nicht nur verkippt, bezogen auf diese Drehachse, sondern auch gekrümmt in das Fanglager eintritt. Ein Grund hierfür kann das zeitversetzte Freigeben der Welle in dem Lager oder der Ausfall nur eines Teillagers von mehreren Teillagern des Lagers sein. Aufgrund der Verkippung bzw. der Durchbiegung der Welle erfährt ein Abschnitt des die Welle aufnehmenden Lagerrings des Fanglagers eine hohe Krafteinwirkung, während ein anderer Abschnitt dieses Lagerrings eine nur geringe Krafteinwirkung erfährt. Insbesondere bei einem als mehrreihiges Wälzlager ausgebildeten Fanglager erfährt eine Wälzkörperreihe eine starke Belastung, die zu einem Schlupf führt, während die andere Wälzkörperreihe keine Belastung erfährt. Umfasst das Fanglager zwei benachbarte, aneinander anliegende Wälzlager, wird eines der beiden Wälzlager stark und das andere nur gering belastet. In beiden Fällen tritt ein starker Verschleiß in dem Fanglager auf, das ggf. nach nur einem Einsatz ausgetauscht werden muss.

DE 602 09 752 T2 beschreibt eine Lagervorrichtung mit einem Magnetlager sowie einem Fanglager, wobei das Fanglager zwei axial benachbarte, mit ihren Stirnflächen aneinander anliegende, mechanisch vorgespannte Schrägkugellager umfasst. Die auf die Welle weisende, zweigeteilte Mantelfläche des zweigeteilten Lagerrings des Fanglagers ist, bis auf eine bei Wälzlagern übliche Kantenverrundung nahe den Stirnflächen, zylindrisch ausgebildet und weist eine gerade, parallel zu der Drehachse der beiden Schrägkugellager weisende Kontur auf. Tritt die Welle bezogen auf die Drehachse verkippt oder gekrümmt in das Fanglager ein, werden die beiden Schrägkugellager ungleichmäßig belastet, wobei in einem der beiden Schrägkugellager ein besonders starker Schlupf auftritt. Das Fanglager weist dadurch nur eine verkürzte Lebensdauer auf.

DE 197 29 450 C2 beschreibt eine Lagervorrichtung zur drehbaren Lagerung eines Rotors in einem Lager, wobei zwei als einreihige Kugellager aus- gebildete Wälzlager als Fanglager vorgesehen sind. Der jeweilige auf die Rotorwelle weisende Lagerring der Fanglager weist eine, bis auf die übliche Kantenverrundung an dem Übergang zu der Stirnfläche, zylindrische Mantelfläche mit einer im wesentlichen geraden, parallel zu der Drehachse des Lagerrings verlaufenden Kontur auf. Tritt die Welle verkippt oder gekrümmt in eines der beiden Kugellager ein, wird das Kugellager ungleichmäßig belastet und dessen Lebensdauer deutlich verkürzt.

Aufgabe der Erfindung Es ist die Aufgabe der Erfindung, bei der eingangs beschriebenen Lagervorrichtung die Lebensdauer des Fanglagers zu verlängern.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird nach Anspruch für das eingangs genannte Fanglager der Lagervorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein auf die Welle weisender Lagerring des Fanglagers eine Mantelfläche mit einer zu der Welle weisenden konvexen Kontur aufweist.

Die konvexe Kontur ist dabei zusätzlich zu einer ggf. vorhandenen Kantenverrundung des Lagerrings vorgesehen, wobei die Kantenverrundung nur eine geringe Erstreckung in axialer Richtung aufweist (weniger als ca. 10 %), die konvexe Kontur jedoch sich zusätzlich zu der Kantenverrundung über mehr als ca. 20 % der axialen Erstreckung des Lagerrings erstreckt. Die Konvexität der Kontur ist dabei in Bezug auf eine gedachte zylindrische Referenzfläche vorgesehen, wobei die zylindrische Referenzfläche dreh- symmetrisch um die Drehachse des Lagerrings angenommen wird.

Die konvexe Kontur bietet einen definierten, auf die jeweilige Lagervorrichtung einstellbaren Auftreffpunkt der Welle in dem auf die Welle weisenden Lagerring des Fanglagers. Aufgrund der Konvexität der Kontur liegt dieser Auftreffpunkt zwischen den beiden Stirnflächen des Lagerrings, beispielsweise mittig zwischen den beiden Stirnflächen des Lagerrings. Dabei verteilt sich die bei dem Auftreffen der Welle auftretende Kraft möglichst gleichmäßig über den gesamten Lagerring und kann von dem Fanglager insgesamt besser aufgenommen werden. Als Ergebnis reduziert sich der Schlupf und die prognostizierte Lebensdauer des Fanglagers erhöht sich.

Ist der auf die Welle weisende Lagerring als Lagerring eines einreihigen Wälzlagers ausgebildet, wirkt die bei dem Auftreffen der Welle auftretende Kraft nahe der Laufbahn der Wälzkörper und damit insbesondere in radialer Richtung, so dass axiale Kraftkomponenten unterdrückt werden.

Ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der auf die Welle weisende Lagerring als gemeinsamer Lagerring eines mindestens zweireihigen Wälzlagers aus- gebildet, verteilt sich die von dem Lagerring aufgenommene Kraft weitgehend gleichmäßig auf die mindestens zwei Reihen des Fanglagers.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kontur des auf die Welle weisenden Lagerrings einen zylindrischen Abschnitt umfasst, der sich über maximal ca. 80% der axialen Erstreckung des Lagerrings erstreckt. Der zylindrische Abschnitt ermöglicht dabei die Abstützung der in das Fanglager fallenden Welle auf einer vergrößerten Fläche. Der zylindrische Abschnitt der Kontur ist dabei bezogen auf die oben definierte zylindrische Referenzfläche hin zu der Welle verschoben angeordnet.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kontur des auf die Welle weisenden Lagerrings mindestens einen konischen Abschnitt aufweist. Der konische Abschnitt schließt dabei mit der zylindrischen Referenzfläche einen Winkel von weniger als ca. 15 °, insbesondere ca. 5°, ein.

Eine besonders bevorzugte Kontur ergibt sich, wenn ein mittleres Drittel der axialen Erstreckung durch einen zylindrischen Abschnitt und die beiden an die Stirnflächen angrenzenden Abschnitte als konische, sich zu den Stirnflächen verbreiternde Abschnitte ausgebildet werden, wobei die beiden konischen Abschnitte eine identische axiale Erstreckung aufweisen und jeweils einen Winkel von ca. 5° aufweisen, bezogen auf die zylindrische Referenz- fläche.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kontur des auf die Welle weisenden Lagerrings einen gekrümmten Abschnitt aufweist. Aufgrund der Krümmung verteilt sich die bei dem Auftreffen der Welle auftretende Kraft besser über den Lagerring.

Hinsichtlich der Ausbildung der Krümmung des gekrümmten Abschnittes der zu der Welle weisenden konvexen Kontur ist vorzugsweise vorgesehen, dass der Verlauf der Krümmung mindestens abschnittsweise durch ein Poly- nom, insbesondere durch eine quadratische Funktion, gegeben ist.

Alternativ oder - bezogen auf einen zweiten gekrümmten Abschnitt ergänzend - ist hinsichtlich der Ausbildung der Krümmung vorzugsweise vorgesehen, dass der Verlauf der Krümmung durch einen Kegelschnitt, insbesonde- re durch ein Kreisbogensegment oder ein Ellipsensegment, gegeben ist. Auch ein hyperbolischer oder parabolischer Verlauf der Krümmung kann vorgesehen sein, je nachdem, für welchen Betriebsfall das Fanglager optimiert ausgelegt sein soll. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der auf die Welle weisende Lagerring spiegelsymmetrisch zu einer axialen Teilungsebene ausgebildet ist. Alternativ hierzu kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass der auf die Welle weisende Lagerring asymmetrisch zu einer axialen Teilungsebene ausgebildet ist. Durch die Asymmetrie lässt sich dem Umstand Rechnung tragen, dass die Verkippung bzw. die Krümmung der Welle häufig einen typischen Winkel aufweist, so dass die Kräfte gleichmäßiger auf den Lagerring verteilt werden können.

Die zu der Welle weisende konvexe Kontur der Mantelfläche des Lagerrings kann durch Materialabtragen, ausgehend von einer zylindrischen Mantelflä- che mit einer geraden Querschnitts-Kontur, hergestellt sein.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kontur des auf die Welle weisenden Lagerrings durch eine zusätzliche Beschichtung ausgebildet ist. Die Be- schichtung kann beispielsweise naßchemisch auf eine zuvor zylindrische Mantelfläche aufgebracht werden, wobei die Dicke der Beschichtung in axialer Richtung so variiert, dass die konvexe Kontur ausgebildet wird.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Kontur des auf die Welle weisenden Lagerrings durch ein zusätzliches Bauteil ausgebildet ist. Das zusätzlich Bauteil kann beispielsweise eine dünnwandige Hülse sein, deren äußere zylindrische Mantelfläche an der inneren, zylindrischen Mantelfläche des Lagerrings beispielsweise mittels Presssitz befestigt ist, wobei die innere Mantelfläche der Hülse die gewünschte konvexe Kontur aufweist. Derartige Hülsen lassen sich als Blechteile einfach herstellen.

Vorzugsweise ist vorgesehen, dass sich die auf die Welle weisende konvexe Kontur entlang der gesamten axialen Erstreckung des Lagerrings erstreckt. Nahe den Stirnflächen kann die konvexe Kontur die üblichen Kantenverrundungen ersetzen oder in die Kantenverrundungen übergehen.

Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausfüh- rungsbeispiels zusammen mit Abwandlungen der Erfindung.

Die Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt ausschnittsweise eine teilweise geschnittene Ansicht ei- nes Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Lagervorrichtung, und

Fig. 2 zeigt in den Teilbildern a.) bis d.) vier Abwandlungen des in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiels.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt eine Lagervorrichtung, umfassend eine bildlich nicht dargestellte Welle, die in einem Lager, nämlich einem Magnetlager, drehbar gelagert ist. Die Lagervorrichtung umfasst weiter ein Fanglager 1 , das als zweireihiges Schrägkugellager ausgebildet ist, wobei das dargestellte Fanglager 1 , ggf. zusammen mit mindestens einem weiteren Fanglager, die Welle bei einem Ausfall des Magnetlagers aufnimmt.

Das Fanglager 1 umfasst einen auf die Welle weisenden Lagerring 2, nämlich den Innenring des Wälzlagers, der eine innere Mantelfläche 3 aufweist, die eine im Schnitt erkennbare zu der Welle weisende konvexe Kontur 4 aufweist. Aufgrund der konvexen Kontur 4 ist die Schnittlinie nicht mehr ge- rade, wie es bei einer zylindrischen inneren Mantelfläche der Fall ist, sondern steht zu der Welle hin vor. In einem normalen Betrieb der Lagervorrichtung, wenn die Welle in dem Magnetlager gelagert ist, weist die konvexe Kontur 4 einen Abstand zu der Mantelfläche der Welle auf. In Kontakt mit der konvexen Kontur 4 kommt die Welle dann, wenn das Magnetlager ausfällt oder ausgeschaltet ist. Die konvexe Kontur 4 umfasst einen zylindrischen Abschnitt 5, der mittig zwischen den beiden Stirnflächen 6, 7 des Lagerrings 2 angeordnet ist. Im Bereich des zylindrischen Abschnitts 5 ist die Schnittlinie gerade. Der zylindrische Abschnitt erstreckt sich über ca. 60 % der gesamten axialen Erstreckung des Lagerrings 2, also über ca. 60 % des Abstandes der beiden Stirn- flächen 6, 7, gemessen in Richtung der Drehachse des Lagerrings 2. In einer Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispiels kann sich der zylindrische Abschnitt 4 über bis zu ca. 80 % der gesamten axialen Erstreckung des Lagerrings 2 erstrecken, jedoch nicht über weniger als ca. 40 % der axialen Erstreckung.

Die konvexe Kontur 4 umfasst weiter einen ersten konischen Abschnitt 8 sowie einen zweiten konischen Abschnitt 9, wobei jeder der beiden konischen Abschnitte 8, 9 an den zylindrischen Abschnitt 5 entlang einer Kante 10, 1 1 an der inneren Mantelfläche 3 angrenzt. Im Bereich der konischen Abschnitte nimmt der Innendurchmesser der inneren Mantelfläche hin zu den Stirnflächen 6, 7 linear zu. Beide konische Abschnitte 8, 9 erstrecken sich zusammen über ca. 35 % der axialen Erstreckung des Lagerrings 2. Bezogen auf eine zylindrische Referenzfläche, die beispielsweise durch den zylindrischen Abschnitt 5 gegeben ist, schließt jeder der beiden konischen Abschnitte 8, 9 einen Winkel 12 von ca. 5° ein, wie in Fig. 1 für den ersten konischen Abschnitt 8 gezeigt ist.

Nicht Teil der konvexen Kontur 4 sind zwei Kantenverrundungen 13, 14 an den Kanten der Mantelfläche 3 zu den beiden Stirnflächen 6, 7. Die Kanten- verrrundungen 13, 14 bilden mit den angrenzenden konischen Abschnitten 8, 9 Kanten 15, 16 aus. Die Kantenverrundungen 13, 14 erstrecken sich zusammen über insgesamt ca. 5 % der gesamten axialen Erstreckung des Lagemngs 2, so dass sich die auf die Welle weisende konvexe Kontur 4 im Wesentlichen entlang der gesamten axialen Erstreckung des Lagerrings 2 erstreckt. In einem abgewandelten Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, die Kantenverrundungen 13, 14 fortzulassen, so dass die konvexe Kontur, beispielsweise die konischen Abschnitte 8, 9, unmittelbar an die Stirnflächen 6, 7 angrenzen.

Der auf die Welle weisende Lagerring 2 - und damit die konvexe Kontur 4 - ist spiegelsymmetrisch zu einer axialen Teilungsebene 17 ausgebildet. Weiter ist der auf die Welle weisende Lagerring 2 als gemeinsamer Lagerring des zweireihigen Schrägkugellagers ausgebildet.

Fig. 2 zeigt in vier Teilbildern jeweils eine Abwandlung zu der in Fig. 1 dargestellten konvexen Kontur 4 der inneren Mantelfläche 3 des auf die Welle weisenden Lagerrings 2 des Fanglagers 1 . Zu beachten ist, dass die Kontur in Richtung zu der Drehachse des Lagerrings vergrößert dargestellt ist, um den Verlauf der Kontur besser erkennbar zu machen.

Fig. 2a zeigt eine konvexe Kontur 34, die einen zylindrischen Abschnitt 35 sowie zwei konische Abschnitte 38, 39 umfasst, wobei der erste konische Abschnitt 38 einen ersten Winkel 42 und der zweite konische Abschnitt 39 einen zweiten Winkel 48 mit einer durch den zylindrischen Abschnitt 35 gebildeten Referenzfläche einschließt. Die Winkel 42, 48 können einen verschiedenen Betrag aufweisen und weniger als jeweils ca. 15° betragen. Die konischen Abschnitte 38, 39 gehen an den zylindrischen Abschnitt 35 entlang abgerundeter Kanten 40, 41 über. Der zylindrische Abschnitt 35 erstreckt sich über ca. 45 % der gesamten axialen Erstreckung des Lagerrings 32. Die konvexe Kontur 34 grenzt unmittelbar an die Stirnflächen 36, 37 des Lagerrings 2, so dass keine Kantenverrundung vorgesehen ist.

Fig. 2b zeigt eine konvexe Kontur 64, die einen ersten konischen Abschnitt 68 und einen an diesen entlang einer abgerundeten Kante 70 angrenzenden zweiten konischen Abschnitt 69 umfasst, wobei die konischen Abschnitte 68, 69 unmittelbar an die Stirnflächen 66, 67 des Lagerrings 62 angrenzen.

Fig. 2c zeigt eine konvexe Kontor 94, die einen mittig zwischen Stirnflächen 96, 97 angeordneten zylindrischen Abschnitt 95 umfasst, der sich entlang ca. 80% der gesamten axialen Erstreckung des Lagerrings 92 erstreckt. Die konvexe Kontur 94 umfasst zwei gekrümmte Abschnitte 109, 1 10, die jeweils einen Viertelkreis beschreiben und somit als Kreisbogensegment ausgebildet sind. Die gekrümmten Abschnitte 109, 1 10 gehen ohne Kante in die Stirnflächen 96, 97 bzw. in den zylindrischen Abschnitt 95 über.

Fig. 2d zeigt eine konvexe Kontur 124, deren einziger Abschnitt durch einen gekrümmten Abschnitt 139 gebildet wird, der sich zwischen den beiden Stirnflächen 106 und 107 erstreckt. Der Verlauf der Krümmung des Abschnit- tes 139 ist entlang der gesamten axialen Erstreckung des Lagerrings 122 durch eine quadratische Funktion bestimmt.

Die in Fig. 2a bis 2d dargestellten Abwandlungen sieht jeweils vor, dass sich die konvexe Kontur 34, 64, 94, 124 entlang der gesamten axialen Erstre- ckung des Lagerrings 32, 62, 92 122 erstreckt, so dass jeweils keine Kantenverrundung vorgesehen ist.

Die in Fig. 2a bis 2d dargestellten Abwandlungen zeigen jeweils konvexe Konturen 34, 64,. 94 und 124, die symmetrisch zu einer gedachten axialen Teilungsebene des jeweiligen Lagerrings 32, 62, 92, 122 ausgebildet sind. Es versteht sich, dass auch zu der Teilungsebene asymmetrische Konturen vorgesehen sein können; beispielsweise können, ausgehend von der in Fig. 2a dargestellten Abwandlung, die Winkel 42 und 48 verschieden ausgebildet sein, oder, ausgehend von der in Fig. 2c dargestellten Abwandlung, die Krümmungsradien der gekrümmten Abschnitte 109 bzw. 1 10 voneinander abweichen. Ferner kann, ausgehend von dem in Fig. 2d dargestellten Ausführungsbeispiel, der Verlauf der Krümmung des gekrümmten Abschnitts 139 nicht durch ein quadratisches Polynom, sondern auch durch ein Polynom mit ungeraden Potenzen gebildet sein. Weiter kann zur Ausbildung der Asymmetrie auch vorgesehen sein, dass eine Stirnfläche an einen zylindrischen und die andere Stirnfläche an einen konischen oder gekrümmten Ab- schnitt grenzt. Insbesondere kann der mittlere Abschnitt 35 (Fig. 2a) bzw. 95 (Fig. 2c), bzw. die Kante 70 (Fig. 2b) hin zu einer der beiden Stirnflächen verschoben sein.

Die Erfindung wurde vorstehend anhand eines Ausführungsbeispiels be- schrieben, bei dem die Welle als Vollwelle ausgebildet war und der auf die Welle weisende Lagerring der Innenring eines Lagers, nämlich eines zweireihigen Schrägkugellagers, war. Es versteht sich, dass der auf die Welle weisende Lagerring auch ein Außenring eines Lagers sein kann, wenn die gelagerte Welle eine Hohlwelle ist.

Bezugszeichenliste

1 Fanglager

2 Lagerring

3 Mantelfläche

4 konvexe Kontur

5 zylindrischer Abschnitt

6 erste Stirnfläche

7 zweite Stirnfläche

8 erster konischer Abschnitt

9 zweiter konischer Abschnitt

10 erste Kante

1 1 zweite Kante

12 Winkel

13 Kantenverrundung

14 Kantenverrundung

15 Kante

16 Kante

17 axiale Teilungsebene

32 Lagerring

34 konvexe Kontur

35 zylindrischer Abschnitt

38 konischer Abschnitt

39 konischer Abschnitt

40 Kante

41 Kante

42 erster Winkel

48 zweiter Winkel

62 Lagerring 68 erster konischer Abschnitt 69 zweiter konischer Abschnitt 70 abgerundete Kante 92 Lagerring

94 konvexe Kontur

95 zylindrischer Abschnitt

96 Stirnfläche

97 Stirnfläche

109 erster gekrümmter Abschnitt

1 10 zweiter gekrümmter Abschnitt

122 Lagerring

124 konvexe Kontur

126 Stirnfläche

127 Stirnfläche

139 gekrümmter Abschnitt