Gleitlager

Die Erfindung betrifft ein Gleitlager, insbesondere zur Lagerung ei ner zylindrischen Welle, mit einem im Wesentlichen hohlzylindrischen Grundkörper mit einer Längsmittelachse, wobei die Welle radial spielbehaftet in einer Lagerbohrung des Grundkörpers aufgenommen ist .

In der Technik finden mit Wasser oder mit anderen Fluiden arbeitende hydrostatische oder hydrodynamische Gleitlager zur wartungsarmen und aufgrund eines sich ausbildenden Fluidfilms praktisch reibungsfreien Lagerung von Maschinenteilen verbreitet Anwendung.

Aus der DD 285 157 A5 ist ein Gummiwellenlager, für die Lagerung von Wellen, insbesondere auf Schiffen und im Pumpenbau, bekannt. Die An zahl von Schmier- und Spülnuten soll auf ein Minimum reduziert wer den, wobei die Anordnung der Nuten außerhalb des zur Ausbildung ei nes maximalen Druckberges erforderlichen Bereiches vorgesehen ist. Eine definierte Zufuhr eines Schmier- oder Spülmittels in die Lager hülse des Gleitlagers ist nicht vorgesehen. Beim Anlauf des vorbe kannten Gleitlagers kann es ferner zu einem erhöhten Verschleiß kom men .

Aufgabe der Erfindung ist es, ein möglichst verschleißreduziertes Gleitlager anzugeben, das mit einem niedrigviskosem Fluid wie zum Beispiel Wasser betreibbar und im Wesentlichen nicht hydrodynamisch funktioniert .

Die eingangs genannte Aufgabe wird gelöst durch ein Gleitlager mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, wonach im Be reich einer Lastzone der Lagerbohrung mindestens eine kleinflächige Längsvertiefung angeordnet ist und die mindestens eine Längsvertie- fung mittels einer externen Fluidversorgung mit einem unter einem Druck stehenden Fluid zur Verschleißminderung des Gleitlagers beauf schlagbar ist. Hierdurch vereint das erfindungsgemäße (Hybrid- ) Gleitlager die Vorteile eines hydrostatischen Gleitlagers mit denen eines hydrodynamischen Gleitlagers. Hydrodynamische und auch hydro statische Gleitlager sind im Normalbetrieb verschleißfrei und rei bungsarm. Das erfindungsgemäße Gleitlager erreicht diese vorteilhaf ten Eigenschaften auch dann, wenn es mit einem niedrigviskosem Fluid wie zum Beispiel Wasser betrieben wird und im Wesentlichen nicht hydrodynamisch funktioniert. Der bei konventionellen rein hydrosta tischen Gleitlagern ansonsten notwendige hohe bauliche Aufwand in Form mindestens einer Hochdruckpumpe für das Fluid kann reduziert werden, da nur eine Mitteldruckpumpe benötigt wird. Bei dem erfin dungsgemäßen Gleitlager ist das Verschleißverhalten zudem unabhängig von der Relativgeschwindigkeit zwischen der gelagerten Welle und ei ner Lagerbohrung eines Grundkörpers des Gleitlagers. Bei marinen An wendungen lässt sich eine Gleitlagerbelastung bzw. Flächenlast von bis zu 0, 6 MPa realisieren, die sich in der Größenordnung einer ma ximal erreichbaren Belastbarkeit einer Ölschmierung bewegt. Mit ei ner Ölschmierung ist im Ergebnis nur eine geringfügig höhere Gleit lagerbelastung von bis zu 0,8 MPa aufnehmbar. Die Fläche der Längs vertiefungen in der Lastzone entspricht hierbei vorzugsweise weniger als 50% der Lastzone, höchst vorzugsweise weniger als 30% der Last zone, beziehungsweise weniger als 10% der gesamten Innenoberfläche. Weiterhin ist vorzugsweise ein Länge zu Breite- Verhältnis der kleinflächigen Längsvertiefungen von mindestens 10:1 gegeben. Im Verhältnis zur gesamten Innenoberfläche der Lagerbohrung sind die Längsvertiefungen somit kleinflächig.

Vorzugsweise ist die mindestens eine Längsvertiefung mittels mindes tens eines Fluidkanals mit der Fluidversorgung verbunden. Infolge dessen kann das Fluid unmittelbar der mindestens einen Längsvertie fung zugeführt werden.

Bei einer technisch vorteilhaften Ausgestaltung ist ein Druck des Fluids im Bereich einer Eintrittsöffnung der mindestens einen Längs vertiefung mittels der Fluidversorgung so eingestellt, dass eine auf das Gleitlager einwirkenden Gleitlagerbelastung höchstens teilweise kompensiert ist. Hierdurch stellt das Gleitlager eine Mischform zwi schen einem hydrostatischen und einem hydrodynamischen Gleitlager dar. Der Druck im Bereich der Eintrittsöffnung ist bevorzugt so be messen, dass die Gleitlagerbelastung zu etwa 40% kompensiert ist. Infolgedessen ergibt sich eine Reduzierung des Verschleißes um etwa 90%.

Bevorzugt ist die mindestens eine Längsvertiefung radial einwärts offen. Hierdurch ist ein definierter Druckaufbau des Fluids inner halb der wenigstens einen Längsvertiefung möglich. Die wenigstens eine Längsvertiefung ist zum Erreichen dieses Zwecks zumindest be reichsweise beidseits axial geschlossen ausgeführt.

Bei einer günstigen Weiterbildung weist die mindestens eine Längs vertiefung eine langgestreckte und schmale sowie näherungsweise ova le Umfangskontur auf. Hierdurch verfügt die wenigstens eine Längs vertiefung im Unterschied zu großflächigen hydrostatischen Schmier taschen über eine schmale und längliche Geometrie. Die schmale Kon tur verläuft in axialer Richtung, um damit den hydrodynamischen Ef fekt möglichst wenig zu stören. Darüber hinaus ist hierdurch eine einfache Fertigung der mindestens einen Längsvertiefung zum Beispiel mittels üblicher, spangebender Verfahren, insbesondere Fräsen, mög lich.

Vorzugsweise besteht zwischen der Längsmittelachse des Grundkörpers und einer Längsmittelachse der Welle ein Radialversatz. Hierdurch wird der Welle ein hinreichend großes Radialspiel innerhalb des Grundkörpers verliehen.

Bei einer günstigen Ausgestaltung ist der Grundkörper mit einem Kunststoffmaterial und die Welle ist mit einem metallischen Material gebildet. Infolgedessen wird ein erhöhter Verschleiß (so genanntes "Fressen") im Fall eines direkten, fluidfreien mechanischen Kontak tes ("Trockenlaufen") zwischen der Welle und der Lagerbohrung ver mieden. Als Kunststoffmaterial kommt vor allem thermoplastisches Po lyurethan in Betracht. Umfangreiche praktische Versuche mit ver- schiedenen Kunststoffen haben darüber hinaus ergeben, dass der Aus wahl des Kunststoffes eine entscheidende Bedeutung zukommt. Der ge wünschte Effekt einer Verschleißreduzierung lässt sich demzufolge nur mit besonders geeigneten Kunststoffen als Lagerwerkstoff erzie len .

Nach Maßgabe einer technisch vorteilhaften Weiterbildung ist das Fluid ein flüssiges Medium mit einer geringen Viskosität, insbeson dere Wasser. Hierdurch ist ein problemloser Einsatz des erfindungs gemäßen Gleitlagers für marine Anwendungen und bevorzugt im Schiff bau gegeben.

Bei einer weiteren Ausgestaltung ist der Grundkörper in einem Lager gehäuse angeordnet, das insbesondere mit einem metallischen Material gebildet ist. Infolgedessen ist eine konstruktiv einfachere Integra tion des Gleitlagers in ein vorgegebenes Maschinenteil gewährleis tet, in dem mittels des Gleitlagers eine Welle gelagert werden soll.

Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von schematischen Figuren näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Gleitlagers, und

Figur 2 eine schematische perspektivische Teildarstellung eines

Grundkörpers des Gleitlagers von Fig. 1.

Die Figur 1 illustriert einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Gleitlagers. Ein Gleitlager 10 zur drehbaren Lagerung einer zylind rischen Welle 12 verfügt über einen im Wesentlichen hohlzylindri schen Grundkörper 14 mit einer Längsmittelachse 16. Bei stillstehen der Welle 12 existiert ein Radialversatz R _v zwischen den beiden Längsmittelachsen 16, 18, so dass die Welle 12 radial spielbehaftet bzw. exzentrisch in einer Lagerbohrung 20 des Grundkörpers 14 des Gleitlagers 10 drehbar liegt. Bei nicht drehender Welle 12 besteht demzufolge zwischen der Welle 12 und einer zylindrischen Lagerboh rungsinnenfläche 22 ein in Relation zum Richtungsvektor der Erdbe schleunigung g obenliegender mondsichelartiger Radialspalt 24. Der hohlzylindrische Grundkörper 14 des Gleitlagers 10 ist hier ledig lich exemplarisch in einem massiven Lagergehäuse 26 aufgenommen, bei dem es sich beispielsweise um ein Stehlagergehäuse oder dergleichen handeln kann. Auf das Gleitlager 12 wirkt die symbolisch dargestell te Gleitlagerbelastung F als eine sogenannte Flächenlast ein. Das Gleitlager 10 ist bevorzugt für Wellen 12 mit einem großen Durchmes ser vorgesehen.

Im Bereich einer mechanischen (Haupt-) Lastzone 30 bzw. fluidischen Auftriebszone - in der die Welle 12 zumindest bereichsweise auf der Innenbohrung 20 aufliegt - ist wenigstens eine erfindungsgemäße kleinflächige Längsvertiefung 32 vorgesehen. Die mindestens eine Längsvertiefung 32 ist mittels einer externen Fluidversorgung 40 mit einem unter einem Druck p stehenden Fluid 42 zum Schmieren des Gleitlagers 10 beaufschlagbar. Durch die wenigstens eine Längsver tiefung 32 erfolgt zumindest eine Verteilung des Fluids 42 im Be reich der untenliegenden (Haupt-) Lastzone 30 des Gleitlagers 10. Um einen Druckaufbau zu ermöglichen, ist die wenigstens eine Längsver tiefung 32 radial einwärts offen und beidseits axial abgeschlossen ausgebildet. Die wenigstens eine kleinflächige Längsvertiefung 32 kann zum Beispiel eine näherungsweise nutartige, im Wesentlichen leicht ovale bzw. angenähert rechteckige Umfangskontur 50 aufweisen. Bei rotierender Welle 12 und der Beaufschlagung der wenigstens einen Längsvertiefung 32 mit dem unter dem Druck p stehenden Fluid 42 mit Hilfe der externen Fluidversorgung 40 ist der Kontaktbereich 30 op timal geschmiert und gekühlt.

Das Fluid 42 kann eine niedrige Viskosität aufweisen, sodass zum Beispiel Wasser Verwendung finden kann. Die Lastzone 30 ist bei stillstehender Welle 12 und fehlendem Fluid 42 im Wesentlichen de ckungsgleich mit einer zylindrisch gekrümmten Anlagefläche 44 bzw. einer direkten Kontakt- oder Berührungszone zwischen der Welle 12 und der Lagerbohrungsinnenfläche 20. Vor dem Eintritt in die Fluid versorgung 40 ist das Fluid 42 praktisch drucklos. Die mindestens eine Längsvertiefung 32 ist mittels eines rohrartigen Fluidkanals 46 mit der Fluidversorgung 40 hydraulisch verbunden. Der Fluidkanal 46 ist bevorzugt entgegengesetzt zur Gleitlagerbelastung F an dem Grundkörper 14 positioniert. Ein Druck p des Fluids 42 ist im Bereich einer Eintrittsöffnung 48 in die mindestens eine Längs vertiefung 32 mittels der externen Fluidversorgung 40 so einge stellt, dass eine auf die Welle 12 bzw. das Gleitlager 10 einwirken de Gleitlagerbelastung F bzw. Flächenlast höchstens teilweise kom pensiert ist. Die Gleitlagerbelastung F wirkt hierbei vorrangig im Bereich der Lastzone 30 innerhalb der Lagerbohrung 20. Vorzugsweise ist der Druck p insbesondere im Bereich der Eintrittsöffnung 48 mit tels der externen Fluidversorgung 40 so eingestellt, dass die Gleit lagerbelastung F zu ungefähr 40% kompensiert ist und sich eine Redu zierung des Lagerverschleißes von bis zu 90% einstellt. Die Höhe des Drucks p befindet sich im Ergebnis auf einem Niveau, welches zwi schen dem einer hydrodynamischen und einer hydrostatischen Fluidver sorgung des Gleitlagers 10 liegt.

Aufgrund des Drucks p des Fluids 42 innerhalb der wenigstens einen kleinflächigen Längsvertiefung 32 sowie des Fluids 42 in unmittelba rer Nähe zur Längsvertiefung 32 kommt es zu einer höchstens teilwei sen Kompensation der Gleitlagerlast F. Infolgedessen ändert sich das Verschleißverhalten zwischen den beteiligten Gleitpartnern in Form der Lagerbohrung 20 des Grundkörpers 14 des Gleitlagers 10 und der Welle 12 derart, dass es zu einer signifikanten Verschleißreduzie rung kommt .

Die wenigstens eine Längsvertiefung 32 im Bereich der Lastzone 30 befindet sich räumlich im Wesentlichen gegenüberliegend zur mechani schen Gleitlagerlast F in der Lagerbohrung 20 des Grundkörpers 14 des Gleitlagers 10.

Die mindestens eine Längsvertiefung 32 erstreckt sich weiterhin nicht über eine volle axiale Länge L des Grundkörpers 14. Vielmehr bleiben ein erster und zweiter Ringsteg 56, 58 an einem ersten und einem zweiten axialen Ende 60, 62 des Grundkörpers 14 frei von der wenigstens einen Längsvertiefung 32.

Der hohlzylindrische Grundkörper 14 des Gleitlagers 10 ist vorzugs weise mit einem geeigneten, möglichst reibungsarmen und mediumbe ständigen jedoch hinreichend mechanisch belastbaren Kunststoffmate rial gebildet. Die Welle 12 und das Lagergehäuse 26 des Gleitlagers 10 sind hingegen bevorzugterweise mit einem metallischen Werkstoff gefertigt .

Die Figur 2 illustriert eine schematische perspektivische Teildar stellung eines Grundkörpers des Gleitlagers von Fig. 1.

Der Grundkörper 14 des Gleitlagers 10 verfügt über eine im Wesentli chen hohlzylindrische Formgebung mit der axialen Länge L. In die La gerbohrungsinnenfläche 22 der Lagerbohrung 20 des Grundkörpers 14 ist die Längsvertiefung 32 mit ihrer hier lediglich exemplarisch nä herungsweise rechteckigen bzw. leicht ovalen Umfangskontur 50 einge lassen. Die Längsvertiefung 32 ist vorzugsweise gegenüberliegend zur angreifenden Gleitlagerbelastung F in der Lagerbohrung 20 angeord net .

Beidseits sowie parallel gleichmäßig und geringfügig beabstandet zu der Längsvertiefung 32 verlaufen hier lediglich beispielhaft zwei weitere, bevorzugt konstruktiv identisch zur mittleren Längsvertie fung 32 ausgebildete, kleinflächige Längsvertiefungen 70, 72 im Be reich der (Haupt-) Lastzone 30 des Gleitlagers 10 zur großräumigeren Verteilung des Fluids unterhalb der hier nicht eingezeichneten Wel le. Die drei Längsvertiefungen 32, 70, 72 erstrecken sich bevorzugt über einen verhältnismäßig kleinen Umfangswinkel der Lagerbohrungs innenfläche 22 von höchstens 120°. In diesem Bereich des Umfangwin kels der Lagerbohrungsinnenfläche 22, in welchem die drei Längsver tiefungen 32, 70, 72 angeordnet sind, nehmen diese eine Fläche von maximal der Hälfte, vorzugsweise kleiner 30 %, der der Lagerboh rungsinnenfläche 22 ein. An der gesamt Lagerbohrungsinnenfläche 22 somit weniger als 10 %.

Eine Anzahl, räumliche Geometrie, axiale Länge und/oder umfangssei tige Lage der Längsvertiefungen 32, 70, 72 in der Lagerbohrung 20 des Grundkörpers 14 kann gegebenenfalls in Abhängigkeit von den je weiligen Anforderungen einer Zielapplikation für das Gleitlager 10 von der hier lediglich beispielhaft gezeigten Positionierung abwei chen .

Die Erfindung betrifft ein Gleitlager, insbesondere zur Lagerung ei ner zylindrischen Welle, mit einem im Wesentlichen hohlzylindrischen Grundkörper mit einer Längsmittelachse, wobei die Welle radial spielbehaftet in einer Lagerbohrung des Grundkörpers aufgenommen ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass im Bereich einer Lastzone der Lagerbohrung mindestens eine kleinflächige Längsvertiefung ange ordnet ist und die mindestens eine Längsvertiefung mittels einer ex ternen Fluidversorgung mit einem unter einem Druck stehenden Fluid zur Verschleißminderung des Gleitlagers beaufschlagbar ist. Das Gleitlager weist einen um bis zu 90% reduzierten Verschleiß auf.

Bezuqszeichenliste

10 Gleitlager

12 zylindrische Welle

14 hohlzylindrischer Grundkörper

16 Längsmittelachse (Grundkörper)

18 Längsmittelachse (Welle)

20 Lagerbohrung

22 Lagerbohrungsinnenfläche

24 Radialspalt

26 Lagergehäuse

30 Lastzone

32 kleinflächige Längsvertiefung

40 externe Fluidversorgung

42 Fluid

44 untere Anlagefläche

46 Fluidkanal

48 Eintrittsöffnung

50 Umfangskontur

56 erster Ringsteg

58 zweiter Ringsteg

60 erstes axiales Ende

62 zweites axiales Ende

70 kleinflächige Längsvertiefung

72 kleinflächige Längsvertiefung

F Gleitlagerbelastung

g Erdbeschleunigung

L axiale Länge

P Druck

Rv Radialversatz