Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Lageranordnung mit zumindest einem Axiallager sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Lageranordnung.

Stand der Technik

Aktuell werden für Verteilergetriebe in Doppelschneckenextrudern mit hoher Leistungsdichte, wie sie vor allem zur Verarbeitung thermoplastischer Kunststoffe oder Gummi eingesetzt werden, mehrstufige Axiallager beziehungsweise Axialzylinderrollenlager, sogenannte Tandemlager, eingesetzt. Tandemlager können bei begrenztem radialem Einbauraum hohe Axialkräfte sicher aufnehmen, sie vereinen also einen geringen Außendurchmesser mit einer hohen Tragzahl. Entsprechende Lager bestehen in der Regel aus mehreren, hintereinander angeordneten Axial-Zylinderrollenlagern. Die Kraftübertragung und/oder Kraftverteilung erfolgt hierbei mechanisch über mehrere Distanzhülsen, welche für eine exakt gleiche Belastung der geschichteten Axiallager sorgen (sollen). Die Grundidee von Axiallagern in Tandem-Anordnung wurde bereits im Jahre 1943 entwickelt und ist in US 2 374820 A offenbart.

Auch in anderen Einsatzgebieten kommen Lager zum Einsatz, die besonders hohe axial wirkende Kräfte aufnehmen müssen.

Die Kraftverteilung auf die einzelnen Lager eines Axiallagers in Tandem-Anordnung wird durch die Geometrie und Materialeigenschaften, insbesondere Festigkeit und Elastizität, beeinflusst. Für eine exakt gleiche Belastung müssen die Materialeigenschaften idealerweise identisch und die geometriebeeinflussende Fertigung hochpräzise sein. Unter Belastung verformen sich die Tandemlager, bis sich ein Kräftegleichgewicht einstellt. Kleinste Unterschiede der Materialeigenschaften sowie Fertigungstoleranzen führen zu unterschiedlichen Belastungen und Verformungen. In einem Extremfall könnte ein oder mehrere Axiallager dann gar keine Last tragen und somit die restlichen Axiallager entsprechend höher belastet werden. Dies erhöht somit das Risiko für Lagerschäden. Um dieser Herausforderung zu begegnen werden üblicherweise sehr hohe Anforderungen an die Genauigkeit der Lager mit sehr geringen Toleranzen gestellt und außerdem der konstruktive Sicherheitsfaktor erhöht. Somit wird tendenziell der Materialeinsatz erhöht, was zu höherem Gewicht, höheren Kosten und einen Bedarf für einen größeren Bauraum bedeutet.

Beschreibung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kostengünstigere Lösung zu schaffen, mit der die dargestellten Probleme minimiert werden.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.

Eine erfindungsgemäße Lageranordnung weist zumindest ein Axiallager auf. Unter einem Axiallager kann allgemein ein Axialkräfte aufnehmendes Lager verstanden werden. Das Axiallager hindert eine Welle daran, axiale Bewegungen ausführen zu können. Andere gängige Bezeichnungen für Axiallager sind auch Längslager, Drucklager und Spurlager, wobei vorliegend das Axiallager als ein Wälzlager ausgeformt ist. Auch Nadellager zählen zu den Axiallagern. Beim Wälzlager stützen sich die relativ zueinander bewegten Teile über mitlaufende Wälzkörper aufeinander.

Das Axiallager weist eine Mehrzahl von Wälzkörpern auf. Weiterhin weist das Axiallager einen um eine Drehachse einer Welle drehbar angeordneten ersten Lagerring und einen entgegengesetzt zu dem ersten Lagerring gerichteten zweiten Lagerring auf. Der erste Lagerring weist eine erste Laufbahn für die Mehrzahl von Wälzkörpern [für die Aufnahme der Lagerdrücke] auf, der zweite Lagerring weist eine zweite Laufbahn für die Mehrzahl von Wälzkörpern auf. Der erste Lagerring kann auch als Innenring oder Innenflansch bezeichnet werden, der zweite Lagerring kann auch als Außenring, äußerer Lagerauflagering oder Außenflansch bezeichnet werden. Der zweite Lagerring dient zur Befestigung des Axiallagers in einer Lageraufnahme und zur Weiterleitung axialer Druckkräfte an diese Lageraufnahme. Die Mehrzahl von Wälzkörpern ist zwischen dem ersten Lagerring und dem zweiten Lagerring angeordnet. Die Lageraufnahme kann als ein Gehäuse ausgebildet sein.

Auf einen oder beide Lagerringe, d.h. erster und/oder zweiter Lagerring, kann verzichtet werden, sofern die tragende Funktion anderweitig sichergestellt wird. Dies kann zum einen der direkte Lauf auf der Distanzhülse sein oder der Lauf auf dem hydraulischen Kissen.

Weiterhin weist das Axiallager eine erste Distanzhülse, die auf der Welle anordenbar ist, und eine zweite Distanzhülse zur Anlage an der Lageraufnahme, auf. Der erste Lagerring ist in oder an einer an der ersten Distanzhülse ausgeformten ersten Aufnahme angeordnet. Der zweite Lagerring ist in oder an einer an der zweiten Distanzhülse ausgeformten zweiten Aufnahme angeordnet. Zwischen der ersten Distanzhülse und dem ersten Lagerring ist ein hydraulisches Kissen mit einer Hydraulikkammer ausgeformt. Alternativ oder ergänzend ist zwischen der zweiten Distanzhülse und dem zweiten Lagerring ein hydraulisches Kissen mit einer Hydraulikkammer ausgeformt. Die eine Hydraulikkammer oder beide Hydraulikkammern sind hydraulisch mit einem Hydrauliksystem verbunden. So wirkt eine Druckänderung im Hydrauliksystem unmittelbar auf die Hydraulikkammer, in der der gleiche Druck ansteht wie im Hydrauliksystem.

Die Distanzhülsen müssen nicht zylindrisch oder symmetrisch sein. Relevant ist, dass in mindestens einer der beiden Distanzhülsen die hydraulische Verbindung zum Hydrauliksystem gegeben ist. Ein Kanal, eine Bohrung oder eine andersartige Kavität, innen oder außenliegend, ist entscheidend. Die Distanzhülsen können daher auch beispielsweise in manchen Bereichen geometrisch ganz anders ausgeformt sein. Unter anderem können Bereiche abgefräst sein, sodass die Hülse auch beispielsweise an einer Radialseite abgeflacht oder offen sein kann. Dies würde unter anderem den in dieser Richtung erforderlichen Bauraum reduzieren.

Die Distanzhülsen können auch gezielt Öffnungen für Schmiermittelzu- und -abführung enthalten, um die Lagerschmierung zu gewährleisten. Auch zumindest ein separater Kanal mit zumindest einer Öffnung zu zumindest einem Axiallager kann integriert werden, um die Lagerschmierung zu gewährleisten. Hierbei kann der Austritt als Düse ausgebildet sein oder eine Düse eingesetzt werden.

Die erste Aufnahme weist das hydraulische Kissen auf und ergänzend oder alternativ weist die zweite Aufnahme das hydraulische Kissen auf. Alternativ ist das hydraulische Kissen als Aufnahme ausgeformt.

Durch eine Druckänderung im Hydrauliksystem kann vorteilhafterweise der Druck in der Hydraulikkammer variiert werden. Die Hydraulikkammer kann elastisch und gleichzeitig oder ergänzend plastisch verformt werden und dadurch eine Vorspannung auf den zugeordneten Lagerring ausüben. Durch die Verformung der Hydraulikkammer können, insbesondere bei getrennt voneinander beaufschlagten Hydraulikkammern Fertigungstoleranzen bei Lagerring und/oder Distanzhülse ausgeglichen werden und eine gleichmäßige Kraftverteilung auf das die Welle lagernde Lager und seine Komponenten erzielt werden. Dies führt letztlich zu einem geringeren Verschleiß und somit einer höheren Standzeit des Axiallagers. Wenn die Hydraulikkammern miteinander verbunden sind, sind Fertigungstoleranzen sowie Material- Inhomogenitäten irrelevant.

Die erste Laufbahn des ersten Lagerrings kann so eingebracht sein, dass sie in einer Ebene liegt, deren Normale zur Drehachse einen Winkel zwischen 45° und 90° einschließt. Die zweite Laufbahn des zweiten Lagerrings kann dann entsprechend eingebracht sein. Eine derartige Anordnung ergibt sich durch die Kraftvektoren zur Aufnahme axialer Kräfte.

Die Hydraulikkammer des hydraulischen Kissens in der ersten Distanzhülse und ergänzend oder alternativ die Hydraulikkammer des hydraulischen Kissens in der zweiten Distanzhülse ist als eine umlaufende, fluiddicht abgedeckte Nut ausgeformt. So ist eine Hydraulikkammer ausgebildet, die rund um die Welle läuft und einen der beiden Lagerringe abstützt.

Die fluiddicht abgedeckte Nut ist mit einem Expandierblech abgedeckt, welches an einer Auflage auf der zugeordneten Distanzhülse fluiddicht mit dieser gefügt ist oder stoffschlüssig mit dieser verbunden ist. Das Expandierblech fungiert als Membran. So kann das Expandierblech direkt mit der zugeordneten Distanzhülse gefügt werden, die Auflage kann einen Bereich der Distanzhülse definieren, an dem das Expandierblech anliegt. Das Expandierblech kann derart ausgebildet sein, dass es sich durch ein Fluid in der Hydraulikkammer elastisch und/oder plastisch verformen lässt und dadurch gegen den zugeordneten Lagerring eine Kraft ausüben kann. Hierzu kann das Expandierblech eine geringe Wandstärke aufweisen. So kann die Wandstärke des Expandierbleches beispielsweise zwischen 0,1 und 2,5 mm betragen. Die Wandstärke des Expandierbleches kann weniger als 1 mm betragen, insbesondere weniger als 0,8 mm, insbesondere weniger als 0,6 mm. Das Expandierblech kann zur fluiddichten Verbindung beispielsweise verschweißt sein.

Die fluiddicht abgedeckte Nut kann mit einem ringförmigen Hydraulikstempel abgedeckt sein, wobei zwischen der Auflage des Hydraulikstempels auf der zugeordneten Distanzhülse und der zugeordneten Distanzhülse eine Dichtung angeordnet ist, die die Hydraulikkammer fluiddicht zum Hydraulikstempel abdichtet. So kann in einem einfachen Montage- /Fügevorgang das Hydraulikkissen ausgebildet werden.

Das Axiallager kann nach Art eines Axialzylinderrollenlagers ausgebildet sein. Zylinderrollenlager sind einigermaßen einfach zu fertigen und können große Kräfte aufnehmen.

In der Hydraulikkammer und ergänzend oder alternativ in dem mit der Hydraulikkammer hydraulisch verbundenen Hydrauliksystem kann ein inkompressibles fluides Medium, d.h. ein inkompressibles Fluid, eingebracht sein. Ein Fluid, dessen Dichte nicht vom Druck abhängt, wird inkompressibel genannt. Dies bedeutet umgekehrt, dass Fluide, deren Dichte sich beispielsweise durch thermische Einflüsse ändert, inkompressibel sein können. Da diese Effekte in der Praxis meist erheblich kleiner sind als Dichteänderungen auf Grund von Druckänderungen, wird ein Fluid als inkompressibel angesehen, wenn die Dichte entlang jeder Trajektorie konstant ist. Inkompressible Fluide stellen eine Idealisierung dar. Wenn das fluide Medium inkompressibel oder nur sehr gering kompressibel ist, kann einfach im System ein gleichmäßiger Druck über das gesamte System erzeugt werden oder mit anderen Worten ausgedrückt wirkt sich eine Druckänderung dann auch auf das gesamte Hydrauliksystem (hydraulische System) aus. Eine Mehrzahl von hydraulischen Kissen kann über das Hydrauliksystem miteinander verbunden sein. Dabei kann das Hydrauliksystem Rohrleitungen aufweisen, über die das fluide Medium direkt mit der Mehrzahl von hydraulischen Kissen verbunden ist. So sind die hydraulischen Kissen dann analog zum Prinzip der kommunizierenden Röhren miteinander verbunden. In einer alternativen Ausführungsform sind eine Mehrzahl von hydraulischen Systemen über eine Steuerungseinrichtung derart miteinander verbunden, dass jedes der Mehrzahl von Hydrauliksystemen mit einem Drucksensor ausgebildet ist und der Druck des fluiden Mediums einstellbar, beziehungsweise über die Steuerungseinrichtung regelbar ist. So kann dann in jedem der über die Steuerungseinrichtung verbundenen Mehrzahl von Hydrauliksystemen der gleiche oder ein äquivalenter Druck eingestellt werden.

Bei dem inkompressiblen fluiden Medium kann es sich um ein Hydrauliköl, Wasser oder um Stäube handeln. Hydrauliköl, allgemein auch als Hydraulikflüssigkeit bezeichnet, ist ein Fluid, das zur Übertragung von Energie (Volumenstrom, Druck) in Hydrauliksystemen verwendet wird. Hydrauliköl kann gute Schmiereigenschaften, eine hohe Alterungsbeständigkeit und ein hohes Benetzungs- und Haftvermögen aufweisen. Eine Verträglichkeit mit Dichtungen sowie eine Harz- und Säurefreiheit ist vorteilhaft. Weitere Eigenschaften sind ein geringer Temperatureinfluss auf die Viskosität (sowohl dynamische als auch kinematische Viskosität), eine geringe Kompressibilität und eine Scherstabilität sowie eine geringe Schaumbildung.

Das inkompressible fluide Medium kann in einem unbelasteten Betriebszustand mit einem vorbestimmten Druck beaufschlagt sein. So kann eine definierte Kraft auf den Lagerring ausgeübt werden.

Die Hydraulikkammer kann mit dem Hydrauliksystem über axiale und/oder radiale und/oder schräg verlaufende Bohrungen in den Distanzhülsen verbunden sein. Die Bohrungen können fertigungstechnisch kostengünstig erstellt werden und bilden dann letztlich ein Kanalsystem für das Hydrauliksystem zur Verbindung des zumindest einen Hydraulikkissens mit dem Hydrauliksystem. Das Kanalsystem kann die hydraulische Verbindung zwischen Hydraulikkissen und Hydrauliksystem schaffen. Die Lageranordnung kann als Tandemlager beispielsweise für einen Doppelschneckenextruder ausgebildet sein. So kann eine effiziente und kostengünstige Lagerung für den Doppelschneckenextruder erstellt werden. Ein Doppelschneckenextruder kann dabei auch als ein Zweischneckenextruder bezeichnet werden. Bei einer als Tandemlager bezeichneten Lageranordnung kann es sich um ein mehrreihiges Axialzylinderrollenlager handeln, das geringen Außendurchmesser mit einer hohen Tragzahl vereint.

So kann die Lageranordnung wenigstens ein zweites Axiallager aufweisen, welches axial über die Distanzhülsen neben dem ersten Axiallager angeordnet ist. Dabei kann das zweite Axiallager analog zu dem bereits beschriebenen ersten Axiallager der Lageranordnung ausgebildet sein. So kann das zweite Axiallager eine Mehrzahl von (zweiten) Wälzkörpern, einen ersten Lagerring, einen zweiten Lagerring, eine erste Distanzhülse, eine zweite Distanzhülse sowie ein zweites hydraulisches Kissen mit einer zweiten Hydraulikkammer aufweisen. Der erste Lagerring des zweiten Axiallagers ist drehbar um die Drehachse der Welle angeordnet. Der erste Lagerring weist eine erste Laufbahn für die Mehrzahl von (zweiten) Wälzkörpern des zweiten Axiallagers auf. Der zweite Lagerring ist entgegengesetzt zu dem ersten Lagerring des zweiten Axiallagers gerichtet und ausgebildet, das zweite Axiallager in der Lageraufnahme zu befestigen und die axialen Druckkräfte an die Lageraufnahme weiterzuleiten. Dabei weist der zweite Lagerring des zweiten Axiallagers eine zweite Laufbahn für die Mehrzahl von (zweiten) Wälzkörpern des zweiten Axiallagers auf. Die Mehrzahl von (zweiten) Wälzkörpern des zweiten Axiallagers ist zwischen dem ersten Lagerring des zweiten Axiallagers und dem zweiten Lagerring des zweiten Axiallagers angeordnet. Die erste Distanzhülse ist auf der Welle anordenbar oder auf der Welle angeordnet. Der erste Lagerring des zweiten Axiallagers ist in oder an einer an der ersten Distanzhülse des zweiten Axiallagers ausgeformten ersten Aufnahme des zweiten Axiallagers angeordnet. Die zweite Distanzhülse liegt an der Lageraufnahme an. Der zweite Lagerring des zweiten Axiallagers ist in oder an einer an der zweiten Distanzhülse des zweiten Axiallagers ausgeformten zweiten Aufnahme angeordnet. Zwischen der ersten Distanzhülse des zweiten Axiallagers und dem ersten Lagerring des zweiten Axiallagers und ergänzend oder alternativ zwischen der zweiten Distanzhülse des zweiten Axiallagers und dem zweiten Lagerring des zweiten Axiallagers ist ein zweites hydraulisches Kissen mit einer zweiten Hydraulikkammer ausgeformt. Die zweite Hydraulikkammer ist hydraulisch mit dem Hydrauliksystem und ergänzend oder alternativ mit der (ersten) Hydraulikkammer des (ersten) Axiallagers verbunden.

Die erfinderische Idee lässt sich bereits mit einem Axiallager umsetzen. Wenn eine Mehrzahl von Axiallagern zum Einsatz kommt, ist es sinnvoll, das erste Axiallager auch als solches zu bezeichnen und die Nummerierung nicht erst beim zweiten Axiallager zu beginnen. Wird jedoch nur ein Axiallager verwendet, so wäre die Bezeichnung als erstes Axiallager verwirrend, da man hier ein zweites Axiallager vermuten würde. Somit wird die Nummerierung nur verwendet, wenn die Lageranordnung eine Mehrzahl von Axiallagern aufweist.

Zur Aufnahme von großen axialen Kräften kann es von Vorteil sein, wenn die Lageranordnung eine Vielzahl von (weiteren) Axiallagern aufweist, welche in Serie jeweils axial über die Distanzhülsen neben dem ersten Axiallager beziehungsweise dem vorangegangenen Axiallager angeordnet sind. So kann die Lageranordnung beispielsweise 3, 4, 6 oder 8 Axiallager aufweisen. Es ist aber letztlich jede beliebige Anzahl von Axiallagern in der Lageranordnung realisierbar. So kann die Lageranordnung proportional zu den aufzunehmenden Kräften angepasst werden. Eine derartige Lageranordnung kann auch als Lagerverbund bezeichnet werden.

Die Lageranordnung kann in einer Ausführungsform eine Messeinrichtung zum Bestimmen eines Drucks des inkompressiblen fluiden Mediums aufweisen. Vorteilhafterweise können durch eine entsprechende Messeinrichtung eine Belastung und/oder ein Zustand der Lageranordnung bestimmt werden. Hierzu kann die Messeinrichtung eine Sensoreinrichtung und eine mit der Sensoreinrichtung verbundene Auswerteeinrichtung aufweisen. Die Sensoreinrichtung kann eingerichtet sein, den Druck des inkompressiblen fluiden Mediums in ein elektrisches Signal zu wandeln. Dabei kann das elektrische Signal ein analoges Signal sein oder ein digitales Signal sein. Wenn das elektrische Signal ein analoges Signal ist, kann ein Stromwert oder ein Spannungswert einen Druckwert repräsentieren. Analog kann der Druckwert in einem digitalen Signal kodiert sein und durch dieses repräsentiert sein. Die Druckerfassung kann auch redundant erfolgen. Dies kann bei bei sicherheitskritischen Anwendungen relevant sein. So lässt sich dann auch Funktionale Sicherheit erreichen.

Die erfinderische Idee kann auch in einem Verfahren zum Betreiben einer Lageranordnung umgesetzt sein. Das Verfahren weist einen Schritt des Lagerns einer Welle und einen Schritt des Aufnehmens von auf die Welle wirkenden Axialkräften mittels der Lageranordnung auf.

So ist das Verfahren zum Betreiben der Lageranordnung für axial-belastete Anwendungen eingerichtet.

Bei der Welle kann es sich auch um eine Hohlwelle handeln. So kann in einer Ausführungsform die Hohlwelle ein Teil der Lageranordnung sein und eine axial belastete Welle einfach aufnehmen. So kann einfach die Lageranordnung vormontiert werden.

Im Schritt des Aufnehmens können axiale Kräfte eines Doppelschneckenextruders mittels der Lageranordnung aufgenommen werden, wie dies bereits oben beschrieben ist.

Weiterhin kann das Verfahren einen Schritt des Erfassens und einen Schritt des Bestimmens aufweisen. Im Schritt des Erfassens kann der Druck des inkompressiblen fluiden Mediums erfasst und im Schritt des Bestimmens eine Belastung der Lageranordnung unter Verwendung des erfassten Drucks bestimmt werden. Die Belastung stellt eine Information über den Betriebszustand der Lageranordnung dar. Wenn die Lageranordnung in einem Doppelschneckenextruder verwendet wird, gibt die Belastung auch eine Information über den auf die Schnecke wirkenden Druck und somit über wirkende Kräfte in der Maschine. Dabei können Lastverläufe über die Zeit erstellt werden. So kann im Schritt des Erfassens der Druck über die Zeit erfasst werden, mit anderen Worten ein Druckverlauf erfasst werden. Hierüber können die Belastung über die Zeit und darüber weitere Prozessparameter bestimmt werden, insbesondere, wenn die so erfasste Belastung mit weiteren Messdaten kombiniert wird.

Bei der Bestimmung der Belastung ist zu beachten, dass, wie bereits oben ausgeführt, inkompressible Fluide eine Idealisierung darstellen, die viele Berechnungen bei vernachlässigbarem Fehler enorm vereinfachen. Zur Bestimmung der Belastung der Lageranordnung kann es von Vorteil sein, die geringe Kompressibilität des inkompressiblen fluiden Mediums zu berücksichtigen.

Mittels der bestimmten Belastung kann ein Zustand der Lageranordnung wie eine Alterung, ein Schaden und ergänzend oder alternativ eine Überlastung bestimmt werden. So kann eine vorausschauende Wartung ermöglicht werden. Hierdurch können Kosten eingespart werden, da die Lageranordnung nicht zu früh gewechselt werden muss oder aber auch rechtzeitig ein Wechsel der Lageranordnung geplant werden kann, um Standzeiten zu vermeiden.

Im Schritt des Bestimmens können ein Absolutwert des erfassten Drucks, Änderungen des erfassten Drucks über die Zeit, eine Ableitung des erfassten Drucks über die Zeit oder ein Integral über den erfassten Druck über die Zeit ausgewertet werden, um den Zustand zu bestimmen. Dabei können auch mehrere der Auswertungen miteinander kombiniert werden, um den bestimmten Zustand robuster zu bestimmen, diesen zu validieren oder um besondere Aussagen über den Zustand treffen zu können.

Die vorstehenden Erläuterungen betreffend das Verfahren gelten für die Vorrichtung entsprechend und umgekehrt. Die Messeinrichtung und insbesondere die Auswerteeinrichtung der Messeinrichtung kann in einer Komponente oder verteilt in mehreren Komponenten ausgeführt sein. Ferner kann die Messeinrichtung und/oder die Auswerteeinrichtung in einen ASIC oder einer vergleichbaren integrierten Schaltung (pC,

FPGA, ...) integriert sein. Unter der Auswerteeinrichtung kann allgemein auch ein Steuergerät verstanden werden. Die hier genannte Auswerteeinrichtung kann insbesondere als eine Prozessoreinheit und/oder eine zumindest teilweise festverdrahtete oder logische Schaltungsanordnung für die messtechnischen Schritte und Schritte zum Auswerten des erfassten Drucks des beschriebenen Verfahrens ausgeführt sein. Besagte Auswerteeinrichtung kann jede Art von Prozessor oder Rechner oder Computer mit entsprechend notwendiger Peripherie (Speicher, Input/Output-Schnittstellen, Ein-Ausgabe- Geräte, etc.) sein oder umfassen.

Kurze Figurenbeschreibung Eine derartige Lageranordnung soll im Folgenden mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben werden. Die folgende Beschreibung ist aber als rein beispielhaft anzusehen. Die Erfindung ist allein durch den Gegenstand der Ansprüche bestimmt. Nachfolgend wird ein

Figuren erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Lageranordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2a eine Hydraulikkammer in einer Schnittdarstellung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 2b die in Fig. 2a dargestellte Hydraulikkammer in einer um 90° gedrehten

Schnittdarstellung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3a einen Ausschnitt einer Lageranordnung in einer Schnittdarstellung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 3b die in Fig. 3a dargestellten Hydraulikkammer in einer um 90° gedrehten

Schnittdarstellung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 4 eine Detaildarstellung der in Fig. 3 dargestellten Hydraulikkammer mit einem

Expandierblech gemäß dem dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 5 eine Detaildarstellung einer Hydraulikkammer mit einem ringförmigen

Hydraulikstempel gemäß einem vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 eine Passhülse für ein Hydrauliksystem einer Lageranordnung gemäß einem fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7a-7c eine Hydraulikkammer mit einem Expandierblech gemäß einem fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;

Fig. 8a-8c Varianten von Lageranordnungen mit zumindest zwei Axiallagern gemäß einem sechsten, siebten und achten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung; und

Fig. 9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Lageranordnung gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Die Figuren sind lediglich schematische Darstellungen und dienen nur der Erläuterung der Erfindung. Gleiche oder gleichwirkende Elemente sind durchgängig mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Detaillierte Beschreibung

Fig. 1 zeigt eine Lageranordnung 100 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Lageranordnung 100 kann in einem hier nicht dargestellten Doppelschneckenextruder eingesetzt werden. Die Lageranordnung 100 weist ein Axiallager

101 mit einer Mehrzahl von Wälzkörpern 102 auf, von denen hier nur ein Wälzkörper 102 dargestellt ist. Weiterhin umfasst das Axiallager 101 der Lageranordnung 100 einen ersten Lagerring 104, einen zweiten Lagerring 106, eine Lageraufnahme 108, eine erste Distanzhülse 110 und eine zweite Distanzhülse 112. Die Lageraufnahme 108 kann beispielsweise als ein Gehäuse, eine Nabe, o.ä. ausgebildet sein. Die Art der Lageraufnahme ist für die hier vorgestellte Idee nicht relevant. An der ersten Distanzhülse 110 ist eine erste Aufnahme 114 für den ersten Lagerring 104 und an der zweiten Distanzhülse 110 ist eine zweite Aufnahme 116 für den zweiten Lagerring 106 ausgeformt.

Der erste Lagerring 104 ist um eine Drehachse 118 einer Welle 120 drehbar angeordnet. Der erste Lagerring 104 weist eine erste Laufbahn 122 für die Mehrzahl von Wälzkörpern 102 auf. Der zweite Lagerring 106 weist eine zweite Laufbahn 124 für die Mehrzahl von Wälzkörpern

102 auf. Diese zweite Laufbahn 124 ist parallel zur ersten Laufbahn 122 an dem ersten Lagerring 104 angeordnet. Die Wälzkörper 102 sind zwischen dem ersten Lagerring 104 und dem zweiten Lagerring 106 angeordnet. Der zweite Lagerring 106 befindet sich in der Distanzhülse 112. Über diese Distanzhülse 112 werden axiale Druckkräfte F dann in die Lageraufnahme 108 geleitet. Die axiale Kraft F beziehungsweise axiale Druckkraft F symbolisiert die auf die Welle 120 wirkenden axialen Kräfte, welche über das Axiallager 101 an die Lageraufnahme 108 geleitet werden.

Die erste Distanzhülse 110 ist auf der Welle 120 angeordnet (und mit dieser optional verdrehsicher verbunden, da der Rollwiderstand der Wälzkörper deutlich kleiner ist, als der Gleitwiderstand zwischen Hülse und bspw. Wellenschulter). Die zweite Distanzhülse 112 (beziehungsweise die Distanzhülse mit dem verbundenen Kanalsystem des Hydrauliksystems) liegt an der Lageraufnahme 108 an und ist mit dieser verdrehsicher verbunden. In oder an der ersten Distanzhülse 110 ist eine erste Aufnahme 114 ausgebildet, in oder an der der erste Lagerring 104 angeordnet ist. In oder an der zweiten Distanzhülse 112 ist die zweite Aufnahme ausgeformt, in oder an der der zweite Lagerring 106 angeordnet ist. Zwischen der ersten Distanzhülse 110 und dem ersten Lagerring 104 kann ein hier nicht dargestelltes hydraulisches Kissen mit einer Hydraulikkammer ausgeformt sein, wobei die Hydraulikkammer hydraulisch mit einem Hydrauliksystem verbunden ist. Hier dargestellt ist ein hydraulisches Kissen 126, welches zwischen der zweiten Distanzhülse 112 und dem zweiten Lagerring 106 ausgeformt ist. Das hydraulische Kissen 126 ist, hier nicht dargestellt, mit dem genannten Hydrauliksystem verbunden.

Hier detailliert beschrieben ist ein Axiallager 101, es sind in Fig. 1 jedoch weitere Distanzhülsen 112, 114 angedeutet, die zu weiteren Axiallagern gehören. Diese können identisch aufgebaut sein. So können die axialen Kräfte F auf eine Mehrzahl von Axiallagern 101 aufgeteilt werden. Dabei hilft das gemeinsame Hydrauliksystem dabei, dass alle Axiallager 101 gleichbelastet werden, es stellt sich darüber ein Kräftegleichgewicht ein.

Fig. 2a zeigt die in Fig. 1 bereits gezeigte zweite Distanzhülse 112 mit dem hydraulischen Kissen 126, welches über eine Rohrleitung 228 mit dem hydraulischen System 230 verbunden ist. Die Rohrleitung 228 ist als eine Bohrung in der Distanzhülse ausgebildet. Auch das die hydraulischen Kissen einer Mehrzahl von Distanzhülsen verbindende hydraulische System 230 ist als Bohrung(en) in den Distanzhülsen 126 ausgeformt. Dabei sind die Bohrungen der einzelnen Distanzhülsen 112 zueinander ausgerichtet, um so ein durchgehendes System zu schaffen.

Zum Ausbilden des hydraulischen Kissens 126 ist in der (zweiten) Distanzhülse 112 eine umlaufende Nut 232 ausgeformt, welche fluiddicht mit einem Expandierblech 234 abgedeckt ist. Das Expandierblech 234 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel ein dünnes Metallblech, welches einfach durch Druckbeaufschlagung mittels des Hydrauliksystems 230 verformbar ist. Das Expandierblech 234 deckt die umlaufende Nut 232 vollständig ab und ist fluiddicht, beispielsweise stoffschlüssig mit der zweiten Distanzhülse 112 an einer Auflage neben der umlaufenden Nut 232 verbunden, wodurch eine fluiddichte Verbindung zwischen Distanzhülse 112 und Expandierblech 234 hergestellt wird und eine umlaufende Hydraulikkammer 236 des hydraulischen Kissens 126 ausgeformt wird.

Wenn der (Innen-)Druck in der Hydraulikkammer 236 über das hydraulische System 230 erhöht wird, wirkt letztlich eine Kraft auf das Expandierblech 234, welches aus Sicht der Hydraulikkammer 236 nach Außen gedrückt wird und sich entsprechend verformt. Man hat hier den Eindruck, als ob ein Kissen entsteht. Das Expandierblech 234 wird gegen den dort angeordneten Lagerring 106 gedrückt und übt auf diesen eine Vorspannung aus, sofern eine Gegenkraft existiert. Dadurch können etwaige Fertigungstoleranzen ausgeglichen und eine definierte Vorspannung eingestellt werden.

Fig. 2b zeigt die Hydraulikkammer 236 in einer Seitenansicht entlang der Schnittlinie AA nach Fig. 2a. Hierbei ist die umlaufende Nut 230 sowie die Auflage für das Expandierblech 234 zu erkennen.

Fig. 2a und 2b zeigen eine Distanzhülse 112 mit Hydraulikbohrungen. Das Expandierblech 234 wird mit der Distanzhülse 112 gefügt. Vorteilhafterweise wird das Expandierbelch 234 stoffschlüssig gefügt, um das hydraulische System 230 an dieser Stelle auch zu verschließen respektive abzudichten. Vorteilhafterweise - insbesondere aus Fertigungs- beziehungsweise Kostensicht - erfolgt die Verbindung zwischen Hydraulikkammer 236 und dem Kanalsystem des hydraulischen Systems mit einer Schrägbohrung. Vorteilhafterweise erfolgt eine Befüllung des gesamten Hydrauliksystems nach der Montage und nach der Evakuierung des Hydrauliksystems.

Die Idee der hier beschriebenen Lageranordnung 100 beruht darauf, dass im Wesentlichen konventionelle Axiallager verwendet werden können, welche aber nicht hochpräzise sein müssen. Jedes Axiallager 101 liegt auf einem hydraulischen Kissen 126. Die einzelnen Hydraulikkammern 236 sind mit einander verbunden. Dabei erfolgt ein Druckausgleich zwischen den einzelnen Hydraulikkammern 236. Der Druckausgleich erfolgt durch ein weitgehend inkompressibles fluides Medium nach dem Prinzip der kommunizierenden Röhren. Vorteilhafterweise wird dazu ein Hydrauliköl eingesetzt. Es wären aber auch beispielsweise Stäube denkbar. Optional kann das System mit Druck vorgespannt werden, sodass vorteilshafterweise die schwimmende Lagerung zusätzlich unterstützt wird.

Das Hydrauliksystem erzwingt bei Belastung eine identische Kraftverteilung, da jede Mehrbelastung eines Lagers über das Hydrauliksystem direkt auf die anderen Lager verteilt beziehungsweise ausgeglichen wird.

In besonderen Ausführungsbeispielen ist die Anzahl der gestapelten Axiallager 101 quasi beliebig hoch, so dass entsprechend skalierbar hohe Kräfte bei geringem radialem Bauraum aufgenommen werden können. Dabei ist der Einsatz Lage-unabhängig und die Belastung der einzelnen Axiallager 101 kann beidseitig erfolgen.

Optional ist die Belastung der gesamten Lageranordnung 100, auch als Lagerverbund bezeichnet, durch die Messung des hydraulischen Druckes direkt möglich. Vorteilhafterweise können diese Informationen zur Beurteilung der tatsächlichen Krafteinwirkung auf das Lager genutzt werden, um beispielsweise die Lageranordnung 100 im laufenden Betrieb zu überwachen und/oder Überlastungen und/oder Schäden der Lageranordnung 100 frühzeitig zu erkennen und entsprechend gegenwirken zu können.

Eine derartige Messung kann bereits an einem einzelnen Axiallager vorteilhaft umgesetzt werden, um das Lager zu überwachen und vorausschauende Wartung und dergleichen durchführen zu können. Dies ist also nicht nur fürTandemlager von Vorteil, sondern kann sinnvoll bereits bei einem einzelnen Axiallager 101 umgesetzt werden. Ausreichend hierfür ist ein Axiallager 101 mit einem hydraulischen Kissen 126 und einem daran angeschlossenen Drucksensor.

Wie bereits dargestellt bietet sich die hier vorgestellte Lageranordnung 101 für jede Anwendung (System) an, bei der (hohe) Axialkräfte - bei geringem radialem - Bauraum aufgenommen werden müssen. Hierzu zählen insbesondere Doppelschneckenextruder, aber auch verschiedene Einschneckenextruder, Spritzguss- und Werkzeugmaschinen, aber auch beispielsweise Anwendungen im Schiffbau, Turbinenbau oder Bergbau. Das Prinzip des hydraulischen Kissens 126 kann sowohl in der an der Welle 120 angeordneten ersten Distanzhülse 110 als auch in der an der Lageraufnahme 108 (oder Nabe oder Gehäuse) angeordneten zweiten Distanzhülse 112 realisiert werden. Technisch scheint nach ersten Versuchen eine Umsetzung in der zweiten Distanzhülse 112 sinnvoller, ist aber auch von der Umsetzbarkeit des hydraulischen Systems 230 abhängig. In besonderen Fällen kann auch auf beiden Seiten ein hydraulisches System 230 mit hydraulischem Kissen 126 vorgesehen sein.

Fig. 3a und 3b zeigen in einem weiteren Ausführungsbeispiel einen Ausschnitt einer Lageranordnung 100, wobei Fig. 3b eine Seitenansicht an der Schnittlinie BB zeigt. Anstelle einer Bohrung (wie im zuvor gezeigten Ausführungsbeispiel) als Kanal, liegt der Kanal (Rohrleitung 228) als Längs-Nut vor. Der Kanal wird mit einem Blech mittels einer Schweißnaht abgedichtet. Alternative Abdichtungen des Kanals sind dabei auch realisierbar.

Der gegenüberliegende Kanal beziehungsweise allgemein weitere Kanäle sind optional, können aber insbesondere das Befüllen mit einem Fluid vereinfachen.

Fig. 4 zeigt eine weitere Darstellung des dritten Ausführungsbeispiels. Die Hydraulikkammer 236 ist mit einem Expandierblech 234 abgedeckt, auf welchem der zweite Lagerring 106, auch als Lagerauflagering bezeichnet, aufliegt. Die zweite Distanzhülse 112 erfüllt hier allgemein die Funktion eines Stützringes. Die Verbindung der einzelnen hydraulischen Kissen 126 erfolgt über äußere Anschlüsse (Rohre, Schläuche, o.ä.).

Fig. 5 zeigt eine Detaildarstellung einer Hydraulikkammer 236 mit einem ringförmigen Hydraulikstempel 540 gemäß einem vierten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Hydraulikkammer 236 nicht mit einem Expandierbelch abgedeckt, sondern mit einem Hydraulikstempel 540, welcher mit Dichtungen 542 an der Distanzhülse 112 beziehungsweise der darin ausgeformten Nut anliegt. So ist die Hydraulikkammer 236 abgedichtet und der Hydraulikstempel 540 ist aber zum Toleranzausgleich etc. in Richtung des Lagerrings (hier nicht dargestellt) bewegbar. Die Dichtung zwischen Hydraulikstempel 540 und Distanzhülse 112 werden mittels bekannter Prinzipien realisiert. Fig. 6 zeigt eine Passhülse 650 für ein Hydrauliksystem 230 einer Lageranordnung 100 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Die Rohrleitungen 228, die in den einzelnen Distanzhülsen 112 ausgebildet sind, müssen, wenn die einzelnen Komponenten als Einzelteile gefertigt werden, auch miteinander verbunden werden. Dabei muss eine fluiddichte Verbindung geschaffen werden, die dem Druck im hydraulischen System 230 standhält. Eine Variante einer derartigen fluiddichten Verbindung ist in Fig. 6 dargestellt, wobei eine Passhülse 650 als dichtendes Verbdingungselement in die zwei getrennt ausgebildeten Rohrleitungen 238 gefügt wird. Hierzu sind die Rohrleitungen 238 im Bereich der Passhülse 650 mit einer erweiternden Bohrung 652 im Durchmesser erweitert, wobei eine Presspassung zwischen Passhülse 650 und Bohrung 652 vorgesehen ist, um eine fluiddichte Verbindung herzustellen. Die Passhülse 650 könnte auch zur Verbesserung der Dichtung eingeklebt sein oder alternativ eine zusätzliche Dichtung vorgesehen sein.

Fig. 7a - 7c zeigt eine Hydraulikkammer mit einem Expandierblech 234 gemäß einem fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Dabei sind unterschiedlich vorgeformte Expandierbleche 234 beispielhaft dargestellt. Während Fig. 7a ein ebenes Expandierblech 234 zeigt, ist die Hydraulikkammer 236 in Fig. 7b und 7c mit einem vorgeformten Expandierblech 234 abgedeckt So können fertigungstechnische Vorteile genutzt werden. Unter Innendruck sollte jedes Expandierblech 234 sich nach außen wölben

Die hier beschriebene Lageranordnung 100 kann optional mit Radiallagern 860 kombiniert werden. Um die Idee aufrecht zu erhalten, dass eine Mehrzahl von Axiallagern 101 über die hydraulischen Kissen 126 eine gleichmäßige Kraftverteilung über die Mehrzahl von Lagern schaffen, ist es wichtig, dass auch beim Einsatz von zusätzlichen Radiallagern 860 das hydraulische System 230 der einzelnen Axiallager 101 miteinander verbunden ist. In Fig. 8b ist das Radiallager 860 derart angeordnet, dass das hydraulische System 230 zwischen den beiden Axiallagern 101 ohne weiter Änderung miteinander verbunden ist. In Fig. 8a ist an dem Radiallager 860 ein Bypass 862 vorgesehen.

Mit anderen Worten kann die Rohrleitung 228 beispielsweise durch eine Bohrung oder durch einen außen liegenden Kanal umgesetzt werden. Der äußere Kanal wäre dann anschließend noch luft- und druckdicht zu verschließen. Auch ein innen liegender Kanal ist denkbar, erscheint aber weniger vorteilhaft. Alternativ kann jede Distanzhülse auch Hydraulikanschlüsse haben und die Kopplung über Schläuche und Rohre erfolgen, oder wie beschrieben auch elektrisch über eine entsprechende Steuer- und Regelungseinrichtung. Die einzelnen Kanäle, beziehungsweise Rohrleitungen 228, müssen an den Stirnflächen verbunden beziehungsweise gefügt werden, dies kann Stoffschlüssig - beispielsweise Schweißen, Löten, Kleben, ... - Formschlüssig - beispielsweise Passhülsen, Passgeometrie, ... - oder Kraftschlüssig - beispielsweise Überwurfmuttern, Verschraubungen - realisiert werden, wobei auch eine Kombination möglich ist.

Das Expandierblech 234 kann eben, konvex oder konkav (ungünstiger) ausgebildet sein. Eventuell ist auch kein Metallblech erforderlich. Es kommt hier auf die expandierende Fläche an. So ist auch ein Rohr in Ringform mit einer hydraulischen Verbindung, auf der das Axiallager liegt, denkbar.

Fig. 8c zeigt eine mögliche Ausführungsform mit einer zweiseitig wirkenden Lageranordnung 100, durch ein zweites Axiallager 101, welches spiegelverkehrt zum ersten Axiallager 101 angeordnet ist und dadurch in die entgegengesetzte Richtung axial wirkende Kräfte aufnehmen kann. Je nach Ausführung können hier zwei getrennte oder ein gemeinsam wirkendes hydraulisches System 230 vorgesehen sein. Das hydraulische System 230 des ersten Axiallagers 101 und das hydraulische System 230 des zweiten Axiallagers 101 können über ein Verbindungselement 864 verbunden sein oder alternativ getrennt sein. Zwischen den Distanzhülsen 110 kann optional ein Distanzstück 866 vorgesehen sein.

Die Kraftaufnahme kann also nicht nur in eine Richtung erfolgen, sondern auch zweiseitig. Das Hydrauliksystem für die Aufnahme der Kräfte der einen Seite kann mit dem Hydrauliksystem der anderen Seite verbunden sein. Die Verbindung ist jedoch nicht notwendig. Beide Varianten haben entsprechende Vor- und Nachteile.

Der in Fig. 8a gezeigte Bypass kann auch elektronisch über die Steuerung des hydraulischen Systems 230 realisiert sein, wenn beide Systeme über einen Drucksensor regelbar sind, kann in beiden (oder mehreren) System der gleiche Druck eingeregelt werden, ohne dass die Systeme hydraulisch miteinander verbunden sind. Insbesondere bei großen Systemen kann dies Vorteile bringen, da die einzelnen hydraulischen Systeme kleiner dimensioniert sind und sich somit eine Kompression der Hydraulikflüssigkeit geringer auswirken kann.

Die hier gezeigte und beschriebene Lageranordnung 100 weist einige Vorteile auf. So können die Kosten erheblich gegenüber konventionellen Tandemlagern sinken. Die Lebensdauer steigt tendenziell durch die gleichmäßige Belastung der einzelnen Axiallager. Dadurch verringert sich auch der Verschleiß.

Durch eine optionale Druckmessung kann die Lageranordnung 100 überwacht werden, wodurch die Standzeiten erhöht werden können und Stillstandszeiten verringert werden können.

Die geringeren Massen im Vergleich zu konventionellen größeren Axiallagern wirken sich positiv auf Montage und Demontage, Materialkosten sowie Lagerkosten aus.

Fig. 9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer Lageranordnung 100 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren weist einem Schritt S1 des Lagerns einer Welle und einem Schritt S2 des Aufnehmens von auf die Welle wirkenden Axialkräften mittels der Lageranordnung auf. Bei der Welle kann es sich um eine Hohlwelle handeln. Das Verfahren ist insbesondere für axial-belastete Anwendungen geeignet.

Optional werden im Schritt S2 des Aufnehmens axiale Kräfte eines Doppelschneckenextruders mittels der Lageranordnung aufgenommen werden.

In einem Ausführungsbeispiel weist das Verfahren einen Schritt S3 des Erfassens des Drucks des inkompressiblen fluiden Mediums und einen Schritt S4 des Bestimmens einer Belastung des Lagerverbundes unter Verwendung des erfassten Drucks auf. Die so bestimmte Belastung ist letztlich eine Information über den Betriebszustand und damit bei Einsatz in einem Doppelschneckenextruder beispielsweise der auf die Schnecke wirkende Druck, d.h. wirkende Kraft; bei einer Erfassung und Bestimmung über einen Zeitraum sind somit Lastverläufe über die Zeit ermittelbar.

Optional kann im Schritt SB des Erfassens die Belastung über die Zeit erfasst werden. Mittels der bestimmten Belastung kann ein Zustand der Lageranordnung wie eine Alterung und/oder ein Schaden und/oder eine Überlastung, insbesondere für eine vorausschauende Wartung, bestimmt werden.

Optional wird im Schritt S4 des Bestimmens ein Absolutwert des erfassten Drucks und/oder Änderungen über die Zeit des erfassten Drucks und/oder ein Integral über den erfassten Druck über die Zeit ausgewertet, um den Zustand zu bestimmen.

Bezugszeichenliste

100 Lageranordnung

101 Axiallager

102 Wälzkörper 104 erster Lagerring 106 zweiter Lagerring 108 Lageraufnahme 110 erste Distanzhülse 112 zweite Distanzhülse 114 erste Aufnahme 116 zweite Aufnahme 118 Drehachse

120 Welle 122 erste Laufbahn 124 zweite Laufbahn 126 hydraulisches Kissen 228 Rohrleitung

230 Hydrauliksystem, hydraulisches System

232 umlaufende Nut

234 Expandierblech

236 Hydraulikkammer

540 Hydraulikstempel

542 Dichtung

650 Passhülse

652 Bohrung

860 Radiallager

862 Bypass

864 Verbindungselement 866 Distanzstück F axiale Kraft