Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein hydrodynamisches Gleitlager zur Lagerung einer bei bestimmungsgemäßem Betrieb gelagert rotierenden Welle, umfassend eine Mehrzahl von einander in Rotationsrichtung benachbart angeordneten Lagersegmenten, deren

Segmentflächen gemeinsam eine Lauffläche für die Welle bilden, wobei wenigstens ein Lagersegment in seiner Segmentfläche eine Mehrzahl von vorwiegend, insbesondere exakt, quer zur Rotationsrichtung ausgerichteten Nuten trägt.

Stand der Technik

Ein derartiges Gleitlager ist bekannt aus der WO 2012/028345 A1.

Der Grundaufbau hydrodynamischer Gleitlager ist dem Fachmann bekannt. Bei Betrieb rotiert die zu lagernde Welle mit einem geringen Lagerspalt zu der Lauffläche des Lagers, die typischerweise aus einer Mehrzahl von in Rotationsrichtung der Welle gestaffelt angeordneten Lagersegmenten gebildet ist. Der Lagerspalt ist mit einem Ölfilm gefüllt, um einen direkten Kontakt der Welle mit der Lauffläche zu verhindern. Zum Aufbau des Ölfilms sind die Lagersegmente typischerweise durch Ölzuführbereiche voneinander getrennt. Über diese Ölzuführbereiche wird bei Betrieb Öl über zumindest einen Teil der Breite der Lagersegmente in den Lagerspalt eingeführt, durch die Rotation der Welle mitgerissen und seitlich ausgeschwemmt. Neben der oben genannten Schmierwirkung hat der Ölfilm die wesentliche Aufgabe der Lagerkühlung. Durch die auf den Ölfilm wirkenden Scherkräfte kommt es zu einer deutlichen Erwärmung, der durch den erläuterten, ständigen Ölaustausch (Zufuhr von Frischöl über die Ölzuführbereiche und seitliches Ausschwemmen des erhitzten Öls) entgegen gewirkt wird. Insbesondere bei schnell drehenden Wellen, dem typischen Einsatzgebiet von hydrodynamischen

Gleitlagern, stellt eine hinreichende und zuverlässige Wärmeabfuhr eine zentrale

Konstruktionsproblematik dar.

Allgemein sind hydrodynamische Gleitlager in Axiallagerbauweise, bei der die Lauffläche eben und senkrecht zur Axialrichtung der Welle ausgerichtet ist, sowie in

Radiallagerbauweise, bei der die Lauffläche gekrümmt und koaxial zur gelagerten Welle ausgerichtet ist, bekannt. Bei Axiallagern sind die Lagersegmente im Wesentlichen als Kreisringsektoren ausgebildet, zwischen denen radial ausgerichtete Ölzuführbereiche angeordnet sind. Bei Radiallagern sind die Lagersegmente im Wesentlichen als

Hohlzylindersektoren ausgebildet, zwischen denen axial ausgerichtete Ölzuführbereiche angeordnet sind. Auch Kombinationen beider Lagertypen sind dem Fachmann bekannt. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine spezielle der vorgenannten Varianten beschränkt. Zudem kann man Gleitlager nach der Ausgestaltung ihrer Segmente in Kippsegment- und Festsegmentlager unterteilen.

Die AT 382215 B adressiert das oben angesprochene Kühlungsproblem, indem sie in der Lauffläche mehrere im Wesentlichen parallel zur Rotationsrichtung ausgerichtete, flache Nuten vorschlägt. Diese Nuten dienen als lokale Öldepots zur Erhöhung des

Gesamtvolumens des Ölfilms, wodurch dessen Gesamt-Wärmekapazität erhöht und die Wärmeabfuhr verbessert werden soll.

Aus der eingangs genannten, gattungsbildenden Druckschrift ist es bekannt, vorwiegend quer zur Rotationsrichtung ausgerichtete Nuten in die Lauffläche einzubringen. Zur Motivation dieser Maßnahme nennt die Druckschrift allerdings nicht das oben

angesprochene Kühlungsproblem. Vielmehr sollen die Nuten als Schmutzfallen für in den Lagerspalt eingedrungene Schmutzpartikel dienen, um diese von einer Beschädigung der Wellenoberfläche bzw. der Lager-Lauffläche abzuhalten.

Aus der GB 664,426 A ist ein Gleitlager bekannt, dessen Lauffläche Einlagen aus einem reibungsmindernden Weichmetall wie Blei oder Zinn aufweist. Hierzu wird zylindrisches oder halbzylindrisches Stangenmaterial kraftschlüssig in nutartige Ausnehmungen im Rohling des Lagerkörpers eingepresst. Aus der US 2015/0192172 A1 und der US 2006/0577059 A1 sind ähnliche Gleitlager bekannt, die jedoch formschlüssig in Nuten des Lagerkörper-Rohlings fixierte

Graphitstücke als reibungsminderndes Material verwenden.

Aus der DE 37 06 571 A1 ist ein Axialgleitlager bekannt, dessen Lauffläche Nuten zur Ölzufuhr und zum Fangen und Abführen von Verschmutzungen aufweist. Bei einer der in der genannten Druckschrift offenbarten Ausführungsformen sind die Nuten, deren Nutwände im Wesentlichen senkrecht sind, in ihrem bodennahen Fußbereich mit herstellungsbedingten Hinterschneidungen versehen, die jedoch für die Nutfunktion irrelevant sind.

Ein grundsätzlich ähnlich aufgebautes Gleitlager ist in der DE 36 17 087 A1 offenbart, die beiläufig die grundsätzliche Möglichkeit einer hinterschnittenen Nutform erwähnt.

Die DE 34 28 846 A1 , die US 2015/ 015 9692 A1 , die JP 09144750 A und die

US 5 746 516 A offenbaren allesamt Gleitlager mit Nuten, die senkrechte Nutwände aufweisen.

Aufgabenstellung

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Gleitlager derart weiterzubilden, dass eine verbesserte Kühlung gewährleistet ist.

Darlegung der Erfindung

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die jeweils in Rotationsrichtung hinteren Nutkanten schräg zu ihrer jeweils zugeordneten Radialebene ausgerichtet und gegenüber dieser hinterschnitten sind und die jeweils in Rotationsrichtung vorderen Nutkanten nicht-hinterschnitten schräg zu ihrer jeweils zugeordneten Radialebene ausgerichtet sind.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen

Patentansprüche. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Wärmeaufnahme des Ölfilms wesentlich verbessert werden kann, wenn dessen laminare Strömungsstruktur lokal gezielt gestört wird. Es hat sich gezeigt, dass sich bei Betrieb im Ölfilm zum Segmentende hin (in Rotationsrichtung gesehen) ein deutlicher Temperaturgradient vom kühleren, wellennahen Bereich zum deutlich wärmeren, lagernahen Bereich aufbaut. Aufgrund der laminaren Strömungsstruktur wächst dieser Temperaturgradient in Laufrichtung stetig an. Der lagernahe Bereich heizt sich dabei stark auf. Der weilennahe Bereich bleibt hingegen vergleichsweise kühl, d.h. sein Wärmeaufnahme-, mithin sein Kühlungspotential wird nicht optimal ausgenutzt. Die aus dem Stand der Technik bekannten, in Rotationsrichtung ausgerichteten Laufflächennuten ändern an diesen Zusammenhängen nichts. Ihre Kühlungsverbesserungswirkung beruht, wie eingangs erläutert, auf dem Prinzip der Volumen- und damit der Wärmekapazitätserhöhung. Auch die aus dem Stand der Technik bekannten, zu anderen Zwecken gedachten Quernuten lassen die geschilderten

Strömungsverhältnisse und damit den fraglichen Temperaturgradienten ebenfalls weitgehend unbeeinflusst. Die vorliegende Erfindung sieht nun jedoch eine spezielle Form von Quernuten vor. Diese zeichnen sich durch eine besondere Neigung ihrer Hinterkante aus. Diese ist gegenüber der der betrachteten Nutkante zugeordneten Radialebene hinterschnitten. Als Radialebene wird jede Ebene bezeichnet, in der die Zentralachse des Lagers bzw. die Rotationsachse der Welle liegt. Die einer speziellen Nut bzw. Nutkante zugeordnete Radialebene ist diejenige Radialebene in der zusätzlich die betrachtete Position der Nut bzw. Nutkante liegt. Hinterschnitt bedeutet hier eine Winkellage der Nuthinterkante, die bei einer als senkrecht angenommenen Nutvorderkante zu einer Breite des Nutgrundes größer als die Breite der Nutöffnung führen würde. Allerdings ist die hier allein aus Illustrationsgründen genannte Prämisse einer senkrechten

Nutvorderkante nicht Bestandteil der vorliegenden Erfindung, die sich lediglich auf die hinterschnittene Ausgestaltung der Nuthinterkante gegenüber der zugeordneten

Radialebene bezieht. Im Gegenteil ist, wie weiter unten noch näher beschrieben, die Nutvorderkante ebenfalls schräg (allerdings nicht hinterschnitten) zu der ihr zugeordneten Radialebene ausgerichtet. Der Hinterschnitt der Nuthinterkante hat, wie die Erfinder erkannt haben, die effiziente Ausbildung einer lokalen Turbulenz im Ölfilm zur Folge, die die unterschiedlich warmen Ölanteile verwirbelt und dadurch zu einem

Temperaturausgleich innerhalb des Ölfilms führt. Hierdurch kann in Rotationsrichtung hinter dem Wirbel das bislang ungenutzte Wärmeaufnahmepotenzial derjenigen, kühleren Ölanteile genutzt werden, die vor der Verwirbelung aufgrund der laminaren Strömung im wellennahen Bereich des Ölfilms gefangen waren. Die Erfindung führt also ohne

Erhöhung des Ölvolumens allein aufgrund einer vollständigeren Ausnutzung des

Wärmeaufnahmepotentials des Ölfilms durch eine lokale Schichtdurchmischung zu einer verbesserten Lagerkühlung.

Als besonders effizient hat es sich erwiesen, wenn die hinterschnittenen Nutkanten in einem Winkel von 5° bis 20° zu ihrer jeweils zugeordneten Radialebene stehen. Eine solche Winkelwahl führt zu den beabsichtigten Effekten; zugleich lässt sich eine entsprechende Nut ohne zu großen Aufwand auch praktisch mit den bevorzugten Dimensionen realisieren. Ganz allgemein gilt, dass die Nuttiefe h bevorzugt im Bereich zwischen 0,05 und 0,5 Millimeter liegt. Die (öffnungsseitige) Nutbreite d liegt in vergleichbarer Größenordnung.

Für den oben erläuterten Kühlungsmechanismus hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Nuten nicht über die gesamte Lauffläche verteilt, sondern im sogenannten Druckabfallgebiet des Gleitlagers bzw. jedes seiner Segmente konzentriert sind. Konstruktiv bedeutet das, dass die Nuten bevorzugt in einem Nutbelegungsgebiet angeordnet sind, welches in Rotationsrichtung bei 60-65% der Segmentlänge beginnt und bei 90-95% der Segmentlänge endet. Mit anderen Worten liegt das Nutbelegungsgebiet an dem dem für dieses Lagersegment zuständigen Ölzuführbereich abgewandten Ende des Segmentes. Die besondere Effizienz dieser Anordnung beruht insbesondere auch darauf, dass sich das über den Ölzuführbereich zugeführte, frische, kühle Öl während seines Transportes in Rotationsrichtung immer weiter aufheizt und beim Eintritt in das bevorzugte Nutbelegungsgebiet einen erheblichen Temperaturgradienten aufgebaut hat, der nun in der oben erläuterten Weise, kühlend abgebaut wird.

Alternativ oder - bevorzugt - zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Nuten in einem Nutbelegungsgebiet angeordnet sind, welches sich über die zentralen 60-90% der Segmentbreite erstreckt. Mit anderen Worten sind die Nuten im Zentral bereich der Lauffläche konzentriert und ragen seitlich nicht bis an den Segmentrand heran. Hierdurch wird ein übermäßiges Ausschwemmen von Öl durch die Nuten verhindert. Innerhalb des Nutbelegungsgebiets nehmen die Nuten vorzugsweise 10-60%, insbesondere 20-30% von dessen Fläche ein. Die übrige Fläche wird von Stegen zwischen den Nuten eingenommen.

Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Nutform ist vorgesehen, dass die Nuten in ihrer Längserstreckungsrichtung unterbrochen sind. Sie bilden somit in

Längserstreckungsrichtung benachbart zueinander angeordnete Teilnuten, die jeweils durch einen Quersteg voneinander getrennt sind. Dies ist im Hinblick auf die Tragkraft des Lagers vorteilhaft gegenüber Ausführungsformen mit nicht unterbrochenen, extrem langerstreckten Nuten.

Die Unterbrechungen, mithin die Querstege, sind bevorzugt quer zur Rotationsrichtung zueinander versetzt angeordnet. Dadurch wird trotz der Nutunterbrechung verhindert, dass sich innerhalb des Nutbelegungsgebietes ein in Rotationsrichtung orientierter Streifen ausbildet, in dem es nicht zur erfindungsgemäßen Verwirbelung kommt. Vielmehr erfolgt die erfindungsgemäße Verwirbelung und Kühlungsverbesserung über die gesamte Breite des Nutbelegungsgebietes.

Die vorliegende Erfindung lässt sich sowohl bei Axial- wie auch bei Radiallagern einsetzen. Die Einsatzmöglichkeiten gelten für Festsegmentlager ebenso wie für

Kippsegmentlager, bei welchen die einzelnen Lagersegmente nicht fest, sondern kippbeweglich angeordnet sind. Wie bei herkömmlichen, aus mehreren Lagersegmenten zusammengesetzten Gleitlagern üblich, erstreckt sich auch bei erfindungsgemäßen Gleitlagern vorzugsweise zwischen je zwei benachbarten Lagersegmenten ein diese voneinander beabstandender Ölzuführbereich quer zur Rotationsrichtung.

In Bezug auf den Abstand zweier benachbarter Nutreihen hat sich eine bestimmte Abhängigkeit dieses Maßes vom Maß des Gleitlagers 10, 10' als solches als günstig erwiesen. Bei einem Radiallager 10 mit einem lichten Durchmesser von 100 mm hat sich ein Nutabstand von 0,5 mm bis 2,5 mm, vorzugsweise ca. 1 mm als vorteilhaft erwiesen. Mit einem Skalierungsfaktor von (D/100) ⁰ · ⁵ mit B=Lagerdurchmesser in Millimeter lässt sich dieses Maß an andere Lagergrößen anpassen. Bei Axiallagern hat sich der Abstand zweier Nutreihen (gemessen in Nutmitte) von 0,4 mm bis 1 ,6 mm, vorzugsweise von 0,8 mm für Lager mit einer Segmentlänge in Umfangsrichtung von 30 mm ergeben. Mit einem Skalierungsfaktor von (L/30) ⁰ · ⁵ mit L=Segmentlänge in Millimetern, lässt sich dieses Maß auf Axiallager anderer Baugröße übertragen.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Es zeigen:

Figur 1 : eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen

Gleitlagers in Radiallager-Bauform,

Figur 2: eine schematische Abwicklung eines der Lagersegmente des Gleitlagers von Figur 1 ,

Figur 3: eine schematische Schnittdarstellung einer Nut eines

erfindungsgemäßen Gleitlagers sowie

Figur 4: eine schematische Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Gleitlager in

Axiallager-Bauform.

Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen

Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.

Figur 1 zeigt in stark schematisierter Darstellung eine Schnittansicht eines

erfindungsgemäßen Gleitlagers 10 in Radiallager-Bauform. Das Gleitlager 10 ist bei der dargestellten Ausführungsform aus drei Lagersegmenten 12 zusammengesetzt, deren innere Segmentflächen gemeinsam eine koaxial zur gelagerten Welle 14 angeordnete Lauffläche 16 bilden. Zwischen den einzelnen Lagerschalen 12 ist jeweils ein

Ölzuführbereich 18 angeordnet, durch den Öl zur Schmierung und Kühlung in den zwischen der Welle 14 und der Lauffläche 16 ausgebildeten Lagerspalt 20 gezogen werden kann. Der Bewegungspfeil 22 deutet die Rotationsrichtung der Welle 14 an.

Strichpunktiert dargestellt eine Radialebene 24.

Im in Rotationsrichtung der Welle 14 hinteren Bereich seiner Segmentfläche weist das untere, tragende Lagersegmente 12 ein mit Nuten 26 belegtes Nutbelegungsgebiet 28 auf. Die oberen, vom Gewicht der Welle 14 weniger belasteten Lagersegmente 12 weisen im gezeigten Ausführungsbeispiel kein Nutbelegungsgebiet auf, obgleich dies bei anderen Ausführungsformen durchaus möglich wäre. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass die erfindungsgemäßen Nuten 26 bei Radiallagern vor allem in den Segmentflächen der bzw. des tragenden Segmente(s) besonders und meist hinreichend wirksam sind.

Typischerweise sind dies die unteren ein bis zwei Lagersegmente.

Figur 4 zeigt ein analog aufgebautes Gleitlager 10' in Axiallager-Bauweise. Die in Figur 4 verwendeten, gestrichenen Bezugszeichen entsprechen in ihrer Bedeutung den nicht gestrichenen Bezugszeichen von Figur 1 , wobei der im bzw. parallel zur Zeichenebene liegende Lagerspalt in Figur 4 nicht erkennbar ist. Bei Axiallagern sind meist alle

Lagersegmente 12' gleich stark belastet, sodass die erfindungsgemäßen Nuten 26' typischerweise in den Segmentflächen aller Segmente Einsatz finden. Strukturen, die für sämtliche Segmente vorhanden sind, sind der Übersichtlichkeit der Zeichnung halber nicht bei allen Segmenten sondern lediglich repräsentativ bei je einem dargestellten Segment mit Bezugszeichen versehen.

Bei den dargestellten Gleitlagern 10, 10' erstreckt sich das Nutbelegungsgebiet 28, 28' jeweils über einen Bereich, der nach ca. 65 % der Segmentlänge in Rotationsrichtung der Welle 14 beginnt und nach ca. 90% der Segmentlänge endet. Das Nutbelegungsgebiet ist also um ca. 65% der Segmentlänge vom vorangehenden Ölzuführbereich 18, 18' und um ca. 10 % der Segmentlänge vom nachfolgenden Ölzuführbereich 18, 18' entfernt angeordnet.

Wie für das Axiallager 10' aus Figur 4 und für das Radiallager 10 aus Figur 2 ersichtlich, erstreckt sich das Nutbelegungsgebiet nicht über die volle Segmentbreite. Vielmehr nimmt es lediglich die zentralen ca. 90% der Segmentbreite ein. Die Nuten 26 sind, wie aus Figur 2 ersichtlich, beim dargestellten Axiallager 10 als in ihrer Längsrichtung unterbrochene Nuten ausgebildet. Die Nutunterbrechungen von jeweils zwei in Rotationsrichtung benachbart angeordneten Nuten sind quer zur Rotationsrichtung zueinander versetzt.

Figur 3 zeigt im Detail, wenngleich stark schematisiert, die grundsätzliche,

erfindungsgemäße Form der Nuten 26. Diese zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die in Rotationsrichtung hintere Nutkante 261 gegenüber der zugeordneten

Radialebene 24 einen Hinterschnitt um einen Hinterschneidungswinkel a aufweist. Die vordere Nutkante 262 bildet eine vergleichsweise flache Schräge, die am (soweit fertigungstechnisch möglich) spitzwinklig ausgebildeten Nutgrund 263 unmittelbar auf die hintere Nutkante 261 stößt. Bei alternativen Ausführungsformen ist der Nutgrund nicht spitzwinklig sondern flach oder mit einem Radius ausgebildet, sodass vordere und hintere Nutkante 262, 261 dort nicht unmittelbar aufeinander treffen. Insbesondere in solchen Fällen ist auch ein deutlich steilerer Winkel der vorderen Nutkante 262 denkbar. Die Wrkung der erfindungsgemäßen Hinterschneidung ist in Figur 3 durch den Wrbel 30 angedeutet. Der im Lagerspalt 20 strömende Ölfilm bleibt quasi an der hinterschnittenen, hinteren Nutkante 261 hängen, sodass seine laminare Struktur zerstört und verwirbelt wird. Hierdurch kommt es zum Austausch wellennaher, kühlerer Ölanteile und lagernaher, wärmerer Ölanteile. Hierdurch ergibt sich ein thermischer Ausgleich innerhalb des Ölfilms und zwar in einem Lagerbereich, in dem das vom zuletzt passierten Ölzuführbereich 18 eingespeiste Frischöl bereits deutlich aufgeheizt ist. Zudem entspricht das gewählte Nutbelegungsgebiet 28 sehr genau dem Druckabfallgebiet des Lagers.

Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites

Spektrum von Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere kann die Anzahl der mit den erfindungsgemäßen Nuten versehenen Segmente variieren. Bezugszeichenliste

10 Gleitlager (Radiallager)

10 Gleitlager (Axiallager)

12, 12' Lagersegment

14, 14' Welle

16, 16' Lauffläche

18, 18' Ölzuführbereich

20 Rotationspfeil

24, 24' Radialebene

26, 26' Nut

261 hintere Nutkante

262 vordere Nutkante

263 Nutgrund

28, 28' Nutbelegungsgebiet 30 Wirbel

h Nuttiefe

d (öffnungsseitige) Nutbreite