Elastisch gedämpfte Lagereinrichtung Die vorliegende Erfindung betrifft eine zwei seitig elastisch gedämpfte Lagereinrichtung an Rotoren und ist dad'arch gekennzeichnet, dass die beidseits einer umlaufenden Masse angeordneten Lager mittels Elastomerringen sowohl in radialer, wie auch in axialer Richtung unter Vorspannung und um 0,05 mm elastisch gedämpft beweglich im ruhenden Maschinenteil befestigt sind.
Es ist bekannt, zweiseitig gelagerte Rotoren zur Erzielung eines ruhigen Laufs statisch und dyna misch auszuwuchten, um insbesondere bei. höheren Drehzahlen, wie sie bei rasch laufenden Elektro motoren, Kreiselkompassen, Schleifspindeln und ähnlichen Einrichtungen üblich sind, die Vibrationen und damit die Lagerbeanspruchungen innerhalb zu lässiger Grenzen zu halten.
Es ist weiter bekannt, die umlaufenden Maschinenteile in axialer Richtung mit elastischen Dämpfungsmitteln zu versehen, wo für die elastische axiale Vorspannung von Schleif- spindella,gern mittels Federanordnungen oder Gummi puffern ein Beispiel bildet. Bei stationären Maschi nen ist es ausserdem üblich, deren Gehäuse unter Zwischenschaltung von D'ämpfungsmitteln abzu stützen.
Alle diese Massnahmen verfolgen den Zweck, zur Vermeidung eines unruhigen Laufs von zwei seitig gelagerten Rotoren störende Schwingungser- scheinungen aufzufangen und unschädlich zu ma chen.
Diese Schwingungserscheinungen haben in den allermeisten Fällen ihre Ursache in restlichen Un- wuchten, die nur in den seltensten Fällen beseitigt werden können, da jedes Balanzierverfahren, dem derartige Läufer stets: unterzogen werden, ein Nähe rungsverfahren ist, das zwar eine gute Annäherung der Rotationsachse :
an die Trägheitsachse zu errei chen erlaubt, ihr Zusammenfallen aber nicht ein- schliesst. Die noch verbleibende Differenz der Ach senlagen macht sich dann umso störender bemerk bar, je höher die Drehzahl wird, wozu kommt, dass die bei höheren Drehzahlen in den allermeisten Fäl len unvermeidliche Verformung der umlaufenden Maschinenteile den Balanzierrestfehler vergrössert und ihn weiter quadratisch mit der Umlaufzahl an steigen lässt.
Diese störende Erscheinung setzt be sonders bei kleineren Maschinen der Steigerung der Umlaufzahl im allgemeinen weit früher eine Grenze als die zulässige Fliehkraftbeanspruchung des Rotors, so dass das Bestreben verständlich erscheint, Mittel zur Schwingungsdämpfung anzuwenden und damit den Drehzahlbereich zu erweitern.
Die dafür bekannten Mittel verfolgen dabei das Ziel, entweder durch Vorspannung in axialer Rich- tung mittels elastischer Elemente oder durch ela stische Lagerung der ganzen Maschine oder auch durch eine Kombination derartiger Massnahmen die aufkommenden Schwingungen zu dämpfen, wofür es zahlreiche Beispiele gibt.
Diese Massnahmen sind zwar bis zu einem ge wissen Grade wirksam, gehen jedoch prinzipiell am Ziel vorbei, da durch sie nur der Effekt der auf tretenden Schwingungen, nicht aber deren Ursache bekämpft wird. Da die Ursache im Fehlen einer Koinzidenz von Drehachse und Trägheitsachse liegt, kann die Beseitigung von störenden Schwingungen letzten Endes nur dadurch erreicht werden, dass auch für den Fall elastischer Deformationen der umlau fenden Rotoren die Drehachse und die Trägheits achse zum Zusammenfallen gebracht werden.
Da dieses Ziel auch durch Feinstbalanzierung und möglichst starre Bauart des Läufers erfahrungs gemäss nur näherungsweise erreicht werden kann, bedingt seine exakte Erreichung zusätzlich eine ins- besondere in radialer Richtung bewegliche Lage- rung der umlaufenden Rotoren gegenüber dem fest stehenden Maschinenteil, die aber im allgemeinen den konstruktiven Forderungen, wie zum Beispiel der Konstanthaltung des Luftspaltes zwischen Rotor und Stator in elektrischen Maschinen,
oder der Er haltung der raumkonstanten Lage einer Drehachse glatt widerspricht und deshalb fürs erste als unaus führbar erscheinen muss.
Eine nähere Untersuchung der Verhältnisse hat jedoch zu einer neuen technischen Lehre geführt. Berechnet man beispielsweise für einen Rotor von 11 kg Gewicht mit einem Lagerabstand von 24 cm unter der Voraussetzung einer statischen und dyna mischen Balanzierung bis :
auf 0,1 beziehungsweise 2X0,01 g L7berwucht die Differenz der Lager der Dreh- und Trägheitsachse, so, gelangt man zu einer Exzentrizität des Schwerpunkts gegen die Mitte der Lager yon nur 0,03 mm, also zu einem Wert, der es als möglich erscheinen lässt,
ungeachtet der oben erwähnten konstruktiven Forderungen die Trägheits- achse auch für den Fall kleinerer Verformungen des rotierenden Systems bei hohen Drehzahlen mit seiner Drehachse zum Zusammenfallen zu bringen. Hierzu ist für das gegebene Beispiel eine Radialbeweglich- keit der Lager in bezug auf den feststehenden Maschinenteil von etwa 0,05 mm erforderlich,
sofern ein geschätzter zusätzlicher Betrag für Ver formungen unter der Fliehkraftwirkung bei höheren Drehzahlen mit berücksichtigt wird, also eine Rad'ial- beweglichkeit, die beispielsweise übertragen auf die Luftspaltvariation einer elektrischen Maschine noch als zulässig erscheint.
Zweckmässigerweise wird man die erwähnte Radialbeweglichkeit auf den angegebenen Wert be grenzen und zudem dämpfen und gleiche Massnah men auch bezüglich der Beweglichkeit in axialer Richtung treffen, um eine restliche Raumstabilität des rotierenden Systems zu gewährleisten.
Die Richtigkeit der oben erwähnten überlegun- gen und Berechnungen wurde an dem als Ausfüh rungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes in Fig.l 3argestellten Drehstrom-Asynchronmotor überprüft, von dem gefordert wurde, Ultrazentrifugen-Rotoren von 20 cm Durchmesser aus geschmiedeter Titan- egierung mit einer Drehzahl von 75 000 U/min ind darüber anzutreiben.
Die Daten dieses Motors >ind: Gewicht des Läufers 1: 1,2 kg; Abstand der Lager 2 und 3: 9 cm; statische und dynamische 3alanzierung bis auf 0,05 beziehungsweise 2X0,005 g Dberwucht; Lagendifferenz dar Dreh- und Träg ieitsachse :an den Lagern 0,01 mm;
angenommene Zadialbeweglichkeit der Lager in bezug auf den fest ;tehenden Maschinenteil einschliesslich eines zusätz- ichen Betrags für Verformung unter Fliehkraftwir- cung etwa 0,04 mm.
Der Motor gemäss Fig. 1 wurde zunächst mit in conventioneller Weise .starr im Statorgehäuse ange- )rdneten Lagern 2, 3 mit axialer Vorspannung be- rieben, wobei sich in den Drehzahlbereichen:
13 000 U/min, 31000 U/min, 53 000 U/min und 69 000 U/min störende Schwingungserscheinungen zeigten, die auch durch eine elastische Lagerung des ganzen Motors nicht genügend gedämpft wer den konnten. Diese Schwingungserscheinungen er reichten im Gegenteil bei der zuletzt angeführten Höchstdiehzahl eine Intensität, die ein längeres Fah ren mit dieser Drehzahl nicht gestattete.
Die Schalenfassungen 4, 5 der Lageraussenringe 2,3 gemäss Fig.2a wurden dann durch jene der Fig.2b ersetzt, in welchen der starre radiale metal lische Kontakt zwischen ihnen und dem Statorgehäuse 6 in Fig.l durch genau angepasste und in Nuten 7, 8 geführte ölbeständige Elastomerringe 9, 10, 11, 12 unter Vorspannung in radialer und axialer Rich tung ersetzt wurde, so dass die erfindungsgemässe Einstellung der Drehachse des Läufers in seine Trägheitsachse möglich war.
Je ein Elastomerring 9, 10 wurde in der Ebene der Kugellaufbahnen der Lager und je ein weiterer 11, 12 ausserhalb derselben zur Erzielung der erforderlichen radialen und axialen Führung, sowie der entsprechenden Vorspannung angeordnet. Die entsprechenden Beweglichkeiten des Läufers 1 wurden damit elastisch gedämpft und auf die oben angegebenen Werte begrenzt.
Der Betrieb des derart ausgestatteten Motors entsprach völlig den theoretischen überlegungen; es traten bis über 75 000 U/min keinerlei Schwin gungserscheinungen mehr auf, so dass man mit derart um ihre Trägheitsachse rotierenden Läufern prak tisch bis an ihre Zerreissgrenze gehen kann. Dass Überraschende an diesen Versuchen war, dass die durch die Lagenversetzung des Läufers im Stator- feld bedingten elektromagnetischen Störungen auch bei Höchstdrehzahl keine merklichen Werte erreichten.
Dagegen war nicht überraschend, dass die Laufruhe des Motors bei Höchstdrehzahl am besten war, da es eine Eigentümlichkeit dieses rotierenden Systems ist, umso genauer um die Trägheitsachse zu rotieren, je höher die Drehzahl wird. Man kann den Rotor eines solchen Systems nämlich (mit gewissen Ein schränkungen) als Kreisel auffassen, womit sich das angegebene Laufverhalten erklären lässt.
Es ist zu betonen, dass zur Erzielung der erfin dungsgemässen Wirkung die berechneten Werte genau eingehalten werden müssen, zumal für der art rasch umlaufende Maschinenteile nur Lager höch ster Präzision Verwendung finden können, deren Laufgenauigkeiten nicht beeinträchtigt werden dür fen. Demgemäss ist auch für die Elastomerringe, so wie für die Schalenfassungen der Lageraussenringe eine adäquate Präzision erforderlich.
Führt unter diesen Voraussetzungen das rotie rende System die Einstellung in seine Trägheitsachse aus, so wird nicht nur ein überraschend schwin gungsfreier Lauf der Maschine erzielt, sondern es werden darüber hinaus auch die Fliehkräfte in den Lagern bis fast auf den kleinstmöglichen Wert redu- ziert, womit deren Tragfähigkeit und Haltbarkeit erhöht wird.