DE102021108884A1 - Radial foil bearing with wedge gap geometry integrated into the outer ring - Google Patents
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Abstract
Erfindungsgemäß wird ein Radialfolienlager (1) mit Außenring-integrierter Keilspaltgeometrie vorgeschlagen, das mehrere, versetzte Kontursegmente (5) aufweist, die zur Ausbildung des Druck aufbauenden Keilspaltes (11) zwischen zu tragender Welle (6) und der Deckfolie (4) vorgesehen sind.According to the invention, a radial foil bearing (1) with an outer ring-integrated wedge gap geometry is proposed, which has a plurality of offset contour segments (5) which are provided to form the pressure-building wedge gap (11) between the shaft (6) to be supported and the cover foil (4).
Description
Radialfolienlager sind zur aerodynamischen Lagerung von Wellen vorgesehen, wobei zwischen der Welle und dem Radialfolienlager ein tragendes Gas-/Luftpolster ausgebildet wird. Die Funktionsweise ähnelt der eines hydrodynamischen Gleitlagers jedoch mit dem Unterschied, dass die Welle von dem Radialfolienlager über ein Luftpolster getragen wird und nicht von einem Flüssigkeitspolster eines hydrodynamischen Gleitlagers. Gemeinsam haben beide Funktionsformen, dass erst die Drehbewegung der Welle zum Ausbilden des tragenden Polsters führt.Radial foil bearings are provided for the aerodynamic mounting of shafts, with a supporting gas/air cushion being formed between the shaft and the radial foil bearing. The functionality is similar to that of a hydrodynamic plain bearing, with the difference that the shaft is supported by the radial foil bearing via an air cushion and not by a liquid cushion of a hydrodynamic plain bearing. What both functional forms have in common is that only the rotary movement of the shaft leads to the formation of the supporting cushion.
Folienlager unterscheiden sich von den konventionellen aerodynamischen Lagern durch eine nachgiebige, elastische Struktur zwischen der rotierenden Welle und dem stationären Gehäusebauteil. Durch dieses Merkmal weisen sie gegenüber den konventionellen Luftlagern zwar eine geringere Steifigkeit auf, können sind jedoch an geometrische Luftspaltänderungen durch z.B. Fluchtungsfehler der Lagersitze oder unterschiedlicher Wärmeausdehnung von Welle und Gehäuse anpassen und ermöglichen dadurch in der Praxis in vielen Anwendungen eine höhere Betriebszuverlässigkeit.Foil bearings differ from conventional aerodynamic bearings by having a compliant, resilient structure between the rotating shaft and the stationary housing member. Due to this feature, they are less rigid than conventional air bearings, but they can be adapted to geometric changes in the air gap, e.g.
Zur Ausbildung des tragenden Luftpolsters weist das Radialfolienlager zumeist eine mit der stillstehenden Welle in Kontakt stehenden Deckfolie sowie eine radial zwischen der Deckfolie und den Außenring des Lagers angeordneten Wellfolie auf, welche in radialer Richtung elastisch einfedern kann. Somit hat grundsätzlich das Radialfolienlager zwei miteinander in Kontakt stehende Folien und einen die Folien tragenden Außenring, damit das Radialfolienlager in einem Gehäuse aufgenommen werden kann. Der Außenring kann auch einteilig von dem Gehäuse ausgebildet sein, in das die Folien des Radialfolienlagers eingesetzt werden.To form the supporting air cushion, the radial foil bearing usually has a cover foil that is in contact with the stationary shaft and a corrugated foil that is arranged radially between the cover foil and the outer ring of the bearing and can deflect elastically in the radial direction. Thus, basically, the radial foil bearing has two foils in contact with each other and an outer ring supporting the foils so that the radial foil bearing can be accommodated in a housing. The outer ring can also be formed in one piece from the housing into which the foils of the radial foil bearing are inserted.
Wird die Welle in Drehbewegung relativ zum Radialfolienlager versetzt, so wird die in dem vom Stillstand definierten Luftspalt vorhandene Luft verdrängt. Ab einer bestimmten Drehzahl der Welle bildet sich ein Luftpolster zwischen der Deckfolie und der Welle aus, auf dem die Welle gleiten kann. Dabei sorgt das Folienpaket mit seiner Wellfolie und ihrer radialen Federwirkung dafür, dass Schwankungen im Luftdruck oder Vibrationen der Welle in radialer Richtung das Lager nicht beeinträchtigen und somit das Luftpolster tragfähig halten.If the shaft is rotated relative to the radial foil bearing, the air present in the air gap defined by standstill is displaced. Above a certain shaft speed, an air cushion forms between the cover film and the shaft, on which the shaft can slide. The foil package with its corrugated foil and its radial spring effect ensures that fluctuations in air pressure or vibrations of the shaft in the radial direction do not affect the bearing and thus keep the air cushion stable.
Im Stand der Technik sind vielfältige Bauformen von Folienlagern bekannt. Neben den Radialfolienlagern gibt es auch Axialfolienlager, die eine axiale Tragfähigkeit ausbilden können. Die Anordnung der Folien des Lagers sowie deren geometrische Ausbildung sind vielfältig und jedem Anwendungsfall angepasst.Various designs of film bearings are known in the prior art. In addition to the radial foil bearings, there are also axial foil bearings that can develop an axial load capacity. The arrangement of the foils of the bearing and their geometric design are varied and adapted to each application.
Funktional benötigen Radialfolienlager zur Ausbildung eines tragenden Gas-/Luftpolster zwischen der Welle und der Deckfolie einen als Keilspalt ausgebildeten Luftspalt, in dem durch die Wellenrotation und den entstehenden dynamischen Gas-/Luftstrom ein Druck während des Betriebs aufgebaut wird, sodass die Welle bei ausreichend hoher Drehzahl vom Radialfolienlager abhebt und berührungslos vom Gas-/Luftpolster beziehungsweise einem Gas-/Luftfilm getragen wird.Functionally, radial foil bearings require an air gap designed as a wedge gap to form a supporting gas/air cushion between the shaft and the cover foil, in which pressure is built up during operation due to the shaft rotation and the resulting dynamic gas/air flow, so that the shaft can rotate at a sufficiently high pressure Speed differs from the radial foil bearing and is supported without contact by the gas/air cushion or a gas/air film.
Diese Keilspaltgeometrie wird nach dem Stand der Technik auf verschiedene Weisen erzeugt. Beispielsweise kann durch die Ausbildung der Wellenform der Wellfolie mit steigender/abnehmender Folienwellenhöhe von einer Welle zur folgenden Welle der erforderliche Keilspalt zwischen Deckfolie und zu tragender, rotierender Welle gebildet werden.According to the prior art, this wedge gap geometry is produced in various ways. For example, the required wedge gap between the cover film and the rotating shaft to be supported can be formed by the formation of the wave shape of the corrugated foil with increasing/decreasing foil wave height from one wave to the following wave.
Die
Aufgabe der Erfindung ist es, eine alternative Ausbildung des Keilspaltes zur Erzeugung des tragenden Gas-/Luftpolsters bereitzustellen.The object of the invention is to provide an alternative design of the wedge gap for generating the supporting gas/air cushion.
So löst ein Radialfolienlager mit einem Außenring, zumindest einer Wellfolie und zumindest einer Deckfolie, wobei die zumindest eine Wellfolie radial zwischen dem Außenring und der zumindest einen Deckfolie angeordnet ist, die Aufgabe dadurch, dass zur Ausbildung eines tragenden Gas-/Luftpolsters zwischen der Deckfolie und einer vom Radialfolienlager zu tragenden Welle die Innenmantelfläche des Außenringes eine Geometrie aus zumindest zwei jeweils kreisbogenförmigen Kontursegmenten aufweist, deren Mittelpunkte nicht übereinanderliegen.A radial foil bearing with an outer ring, at least one corrugated foil and at least one cover foil, with the at least one corrugated foil being arranged radially between the outer ring and the at least one cover foil, solves the problem in that a supporting gas/air cushion is formed between the cover foil and of a shaft to be carried by the radial foil bearing, the inner circumferential surface of the outer ring has a geometry of at least two contour segments, each in the shape of a circular arc, the centers of which do not lie one above the other.
Dazu haben vorteilhafterweise die Wellen der Wellfolie stets dieselbe Höhe von einer Welle zur drauffolgenden Welle. Dies ist für die wirtschaftliche Herstellung der Wellfolie beziehungsweise der Wellfolien zu bevorzugen.For this purpose, the corrugations of the corrugated foil advantageously always have the same height from one corrugation to the next corrugation. This is preferable for the economical production of the corrugated foil or corrugated foils.
Mit anderen Worten ist erfindungsgemäß vorgesehen, die Kontursegmente exzentrisch zur Außenmantelfläche des Außenrings anzuordnen, sofern ein Außenring mit einer kreisrunden Außenmantelfläche vorliegt, die einen Mittelpunkt definieren kann. Der Mittelpunkt des Kontursegmentes liegt somit mit Versatz zum Mittelpunkt der Außenmantelfläche vor. Eine zum Mittelpunkt der Außenmantelfläche konzentrisch angeordnete Welle (im Betrieb) bildet dann mit seiner Wellenumfangsfläche und dem Kontursegment einen entlang eines fortschreitenden Winkels veränderlichen radialen Abstand zwischen der Deckfolie des Kontursegmentes und der Wellenumfangsfläche aus.In other words, the invention provides for the contour segments to be arranged eccentrically with respect to the outer lateral surface of the outer ring if an outer ring is present with a circular outer lateral surface that can define a center point. The center of the contour segment is thus offset to the center of the outside outer surface. A shaft arranged concentrically to the center of the outer lateral surface (during operation) then forms with its shaft peripheral surface and the contour segment a radial distance that varies along a progressive angle between the cover film of the contour segment and the shaft peripheral surface.
Erfindungsgemäß wird folglich vorteilhafterweise vorgeschlagen, alle Wellen der Wellfederfolien mit gleicher Höhe auszuführen und die Keilspaltgeometrie zwischen Deckfolie und Welle stattdessen durch die Außenringinnenmantelflächengeometrie zu erzeugen.According to the invention, it is therefore advantageously proposed to design all corrugations of the corrugated spring foils with the same height and instead to generate the wedge gap geometry between the cover foil and the corrugation by the outer ring inner lateral surface geometry.
Damit lassen sich gegenüber dem Stand der Technik kleinere und damit optimalere Keilspaltöffnungen realisieren, indem alle Feder-Wellen mit gleicher Höhe und damit präziser und einfacher hergestellt werden können. Somit wird durch die Erfindung ebenfalls vermieden, dass die einzelnen Wellenhöhen mit einer noch kleineren Fertigungstoleranz ausgeführt werden müssen; beispielsweise mit einer Wellenhöhentoleranz kleiner als die Wellhöhendifferenz des Keilspalts. Derart enge Wellenhöhentoleranzen sind durch die bekannten Herstellungsverfahren, wie Biegen, Rollieren, Prägen in Verbindung mit dem ungünstigen Umformverhalten des verwendeten rostfreien Edelstahls nicht erreichbar. Aus diesem Grund wird in der Praxis die Keilspaltöffnung zu Lasten des optimalen Druckaufbaus entsprechend vergrößert, was zu einer Reduzierung der Lagertragfähigkeit führt.Compared to the prior art, smaller and therefore more optimal wedge gap openings can thus be realized in that all spring shafts can be manufactured with the same height and therefore more precisely and easily. Thus, the invention also avoids having to design the individual wave heights with an even smaller manufacturing tolerance; for example, with a wave height tolerance smaller than the wave height difference of the wedge gap. Such narrow wave height tolerances cannot be achieved with the known manufacturing processes, such as bending, rolling, embossing in connection with the unfavorable forming behavior of the stainless steel used. For this reason, in practice, the wedge gap opening is correspondingly enlarged at the expense of the optimal pressure build-up, which leads to a reduction in the bearing load capacity.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die kreisbogenförmige Geometrie eines Kontursegmentes eine Kreisbogenform mit in Umfangsrichtung gleichbleibender Krümmung oder eine Kreisbogenform mit in Umfangsrichtung veränderlichen Krümmung, beispielsweise als Teil einer logarithmischen Spirale, ist. Somit muss die Geometrie eines Kontursegmentes im Sinne kreisbogenförmig nicht kreisrund sein, sondern kann einen Verlauf in Umfangsrichtung annehmen, wobei jeder Krümmungsabschnitt der Kontur einen Mittelpunkt ausbildet, der mit den Mittelpunkten der anderen Krümmungsabschnitten derselben Kontur zusammenfällt.An embodiment of the invention provides that the arcuate geometry of a contour segment is an arcuate shape with a constant curvature in the circumferential direction or an arcuate shape with a curvature that changes in the circumferential direction, for example as part of a logarithmic spiral. Thus, the geometry of a contour segment does not have to be circular in the sense of an arc of a circle, but can assume a course in the circumferential direction, with each curved section of the contour forming a center point that coincides with the center points of the other curved sections of the same contour.
In einer vorteilhaften Ausbildung der Erfindung ist die Anzahl der Kontursegmente gleich der Anzahl der Deckfolien und/oder die Anzahl der Kontursegmente gleich der Anzahl der Wellfolien. Idealerweise sind drei Kontursegmente mit jeweils einer Wellfolie und jeweils einer Deckfolie als Folienpaket vorgesehen, die in Umfangsrichtung um 120° versetzt angeordnet sind, um eine stabile Zentrierung sowie Abstützung der Welle im Betrieb innerhalb des Radialfolienlagers zu erzielen. Damit ist jede der drei Keilspaltgeometrien weitestgehend identisch zueinander ausgebildet.In an advantageous embodiment of the invention, the number of contour segments is equal to the number of cover films and/or the number of contour segments is equal to the number of corrugated films. Ideally, three contour segments, each with a corrugated foil and a cover foil, are provided as a foil package, which are arranged offset by 120° in the circumferential direction in order to achieve stable centering and support of the shaft during operation within the radial foil bearing. This means that each of the three wedge gap geometries is largely identical to one another.
Bevorzugterweise setzt sich die Innenmantelfläche des Außenringes aus mehreren Kontursegmenten mit der gleichen Geometrie zusammen.The inner lateral surface of the outer ring is preferably composed of several contour segments with the same geometry.
Eine erfindungsgemäße Radialfolienlageranordnung mit einem Radialfolienlager löst die Aufgabe durch die Ausbildung eines tragenden Gas-/Luftpolsters zwischen der Deckfolie und der vom Radialfolienlager getragenen Welle, wobei die Innenmantelfläche des Außenringes die Geometrie aus zumindest zwei jeweils kreisbogenförmigen Kontursegmenten aufweist, wobei deren Mittelpunkte nicht auf der Drehachse der Welle im Betrieb liegt.A radial foil bearing arrangement according to the invention with a radial foil bearing solves the problem by forming a supporting gas/air cushion between the cover foil and the shaft carried by the radial foil bearing, with the inner lateral surface of the outer ring having the geometry of at least two contour segments in the shape of a circular arc, the centers of which are not on the axis of rotation the shaft is in operation.
In einer erfindungsgemäßen Alternative ist der Außenring als Gehäuseöffnung ausgebildet und damit ein integrativer Bestandteil eines Gehäuses, wonach die Kontursegmente unmittelbar von der Gehäuseöffnung ausgebildet sind. Dies lässt einen extra vorliegenden Außenring des Radialfolienlagers entfallen und Well- sowie Deckfolien direkt in der Gehäuseöffnung anordnen.In an alternative according to the invention, the outer ring is designed as a housing opening and is therefore an integral part of a housing, after which the contour segments are designed directly from the housing opening. This eliminates the need for an extra outer ring of the radial foil bearing and arranges the corrugated and cover foils directly in the housing opening.
Bevorzugterweise ist die Geometrie des Kontursegments durch Sintern, Räumen oder Fließpressen hergestellt, welche wirtschaftliche Fertigungsverfahren zur Ausbildung der Geometrie der Kontursegmente darstellen.The geometry of the contour segment is preferably produced by sintering, broaching or extrusion, which represent economical production processes for forming the geometry of the contour segments.
Die Kontursegmente, vorteilhafterweise als kreisrunder Kreisbogen ausgeführt, sind derart gestaltet, dass im statischen Zustand zwischen dem Wellenradius der zu tragenden Welle und dem Tragbereich der Deckfolie ein Schmiegungsverhältnis zwischen 100,5% und 105% vorliegt. Das Schmiegungsverhältnis berechnet sich aus (Lagerradius / Wellenradius) x 100. Dabei ist mit „Lagerradius“ der Radius der Deckfolie gemeint.The contour segments, advantageously designed as a circular arc, are designed in such a way that in the static state there is an osculation ratio between 100.5% and 105% between the shaft radius of the shaft to be supported and the supporting area of the cover film. The osculation ratio is calculated from (bearing radius / shaft radius) x 100. “Bearing radius” means the radius of the cover foil.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Es zeigen:
-
1 einen Außenring des erfindungsgemäßen Radialfolienlagers, -
2 eine Detailansicht eines Kontursegmentes des Außenringes nach1 , -
3 eine erfindungsgemäße Radialfolienlageranordnung und -
4 eine Detailansicht eines Kontursegmentes der Radialfolienlageranordnung nach3 .
-
1 an outer ring of the radial foil bearing according to the invention, -
2 a detailed view of a contour segment of the outer ring1 , -
3 a radial foil bearing arrangement according to the invention and -
4 a detailed view of a contour segment of the radialfoil bearing arrangement 3 .
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- Radialfolienlagerradial foil bearing
- 22
- Außenringouter ring
- 33
- Wellfoliecorrugated foil
- 44
- Deckfoliecover sheet
- 55
- Kontursegmentcontour segment
- 66
- WelleWave
- 77
- Innenmantelflächeinner lateral surface
- 88th
- Mittelpunkt (Kontursegment)midpoint (contour segment)
- 99
- RadialfolienlageranordnungRadial foil bearing arrangement
- 1010
- Drehachseaxis of rotation
- 1111
- Keilspaltwedge gap
- 1212
- Versatzoffset
- 1313
- Krümmungsradiusradius of curvature
- 1414
- Drehrichtung (Welle)Direction of rotation (shaft)
- 1515
- Nutgroove
- 1616
- Anschlagkantestop edge
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- EP 3409960 A1 [0008]EP 3409960 A1 [0008]
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-
2021
- 2021-04-09 DE DE102021108884.4A patent/DE102021108884A1/en active Pending
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