DE102004060540B4

DE102004060540B4 - Fluiddynamisches Lager mit druckerzeugenden Oberflächenstrukturen

Info

Publication number: DE102004060540B4
Application number: DE102004060540A
Authority: DE
Inventors: Martin Engesser; Stefan Schwamberger
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2004-12-16
Filing date: 2004-12-16
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2024-12-17
Also published as: US20060133703A1; US7699529B2; DE102004060540A1; JP2006170437A

Abstract

Fluiddynamisches Radiallager mit druckerzeugenden Oberflächenstrukturen, mit mindestens zwei relativ zueinander drehbaren Lagerbauteilen (1, 2), die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (3) ausbilden, wobei die Oberflächenstrukturen auf mindestens einer Lagerfläche angeordnet sind und bei relativer Drehung der Lagerbauteile einen hydrodynamischen Druck innerhalb des Lagerspalts erzeugen, wobei jede Oberflächenstruktur (9; 10; 11; 12; 13) zueinander abgewinkelte Abschnitte (9a, 9b, 9c; 10a, 10b, 10c; 11a, 11b, 11c) umfasst, wobei jeder Abschnitt eine Pumpwirkung in eine definierte Richtung erzeugt, und die Pumpwirkungen von jeweils benachbarten Abschnitten im wesentlichen entgegengesetzt gerichtet sind, wobei die Oberflächenstrukturen (9; 10; 11; 12; 13) asymmetrisch ausgebildet sind und insgesamt eine überwiegend in eine Richtung des Lagerspaltes (3) gerichtete Pumpwirkung erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich von Toleranzen im Lagerspalt mindestens drei Abschnitte vorhanden sind, und dass der dritte Abschnitt eine zum ersten Abschnitt gleichgerichtete Pumpwirkung erzeugt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Radiallager mit druckerzeugenden Oberflächenstrukturen nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Fluiddynamische Lager umfassen in der Regel mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid, z.B. Luft oder Lageröl, gefüllten Lagerspalt ausbilden. In bekannter Weise sind den Lagerflächen zugeordnete und auf das Lagerfluid wirkende Oberflächenstrukturen vorgesehen. In fluiddynamischen Lagern werden die Oberflächenstrukturen in Form von Vertiefungen oder Erhebungen üblicherweise auf einzelne oder beide Lagerflächen aufgebracht. Diese auf entsprechenden Lagerflächen der Lagerpartner angeordneten Strukturen dienen als Lager- und/oder Pumpstrukturen, die bei relativer Drehung der Lagerbauteile innerhalb des Lagerspalts einen hydrodynamischen Druck erzeugen. Bei Radiallagern werden beispielsweise parabelförmige oder fischgrätartige Strukturen verwendet, die senkrecht zur Rotationsachse der Lagerbauteile über den Umfang von mindestens einem Lagerbauteil verteilt angeordnet sind.

Bei idealen fluiddynamischen Lagern ist der mit Lagerfluid gefüllte Spalt zwischen den beiden Lagerbauteilen über die gesamte Länge gleich breit. Bei realen Lagern treten jedoch Abweichungen von dieser Idealform auf. Häufig sind die Lagerpartner konisch geformt, so dass die Breite des Lagerspaltes über die Länge des Lagers zu- oder abnimmt.

Da die Pumpwirkung von fluiddynamischen Oberflächenstrukturen unter anderem von der Breite des Lagerspaltes abhängig ist, ergeben sich aufgrund der Unterschiede in der Breite des Lagerspaltes auch bei völlig symmetrischen Oberflächenstrukturen Pumpwirkungen in unterschiedlicher Richtung und Stärke.

1 zeigt dieses Verhalten am Beispiel eines fluiddynamischen Radiallagers mit einer Lagerhülse 1 mit konischer Lagerbohrung (übertrieben dargestellt) und symmetrischen Oberflächenstrukturen 4, die schematisch auf dem Außenumfang der Welle 2 angedeutet sind. Bei Drehung der Welle 2 sollten die symmetrischen Strukturen 4 erwartungsgemäß eine gleich große Pumpwirkung in beide axiale Richtungen des Lagerspaltes 3 erzeugen. Tatsächlich erzeugen die Abschnitte der Strukturen, die sich im engeren Teils des Lagerspalts 3 befinden, eine stärkere Pumpwirkung als die Abschnitte der Strukturen, die sich im breiteren Teil des Spaltes befinden. Im gezeigten Beispiel wird aus diesem Grund eine stärkere Pumpwirkung in Pfeilrichtung 5 erzeugt, so dass das Lagerfluid parallel zur Rotationsachse 6 in Pfeilrichtung 5 nach oben gedrückt wird.

In der Praxis ist oft eine definierte Pumprichtung und Pumpstärke erwünscht. Sie wird durch in 2 dargestellte asymmetrische Pumpstrukturen erreicht. Ein Abschnitt 7a der beispielsweise parabelförmigen Pumpstruktur 7 ist dabei länger als sein entgegenwirkender Abschnitt 7b. Der längere Abschnitt 7a der Struktur erzeugt eine größere Pumpwirkung als der kurze Abschnitt 7b. Es ergibt sich also eine Pumpwirkung überwiegend in Richtung des kürzeren Abschnitts 7b, so dass das Lagerfluid ausgehend vom längeren Abschnitt 7a in Pfeilrichtung 8 zum kürzeren Abschnitt 7b der Struktur gedrückt wird.

In realen Lagersystemen überlagert sich der durch die asymmetrische Formgebung der Strukturen hervorgerufene Effekt (2) mit dem durch die oben beschriebenen Formabweichungen der Lagerpartner hervorgerufenen Effekt (1). Aufgrund von Fertigungstoleranzen der Lagerbauteile können die resultierenden Pumpwirkungen von Lager zu Lager dadurch stark schwanken, und es kann unter Umständen sogar zu „negativen" Drücken in Bereichen des Lagers kommen. Um dies zu vermeiden kann es zur Sicherstellung einer definierten Pumprichtung notwendig sein, eine stark ausgeprägte Asymmetrie der Oberflächenstrukturen vorzusehen, welche sich aber negativ auf die Lagerverlustleistung auswirkt.

Die JP 2000-056251 A wird als nächstliegender Stand der Technik angesehen und offenbart ein fluiddynamisches Radiallager mit druckerzeugenden Oberflächenstrukturen, mit mindestens zwei relativ zueinander drehbaren Lagerbauteilen, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt ausbilden. Die Oberflächenstrukturen sind auf mindestens einer Lagerfläche angeordnet und erzeugen bei relativer Drehung der Lagerbauteile einen hydrodynamischen Druck innerhalb des Lagerspalts. Jede Oberflächenstruktur umfasst zueinander abgewinkelte Abschnitte, wobei jeder Abschnitt eine Pumpwirkung in eine definierte Richtung erzeugt, und die Pumpwirkungen von jeweils benachbarten Abschnitten im wesentlichen entgegengesetzt gerichtet sind, wobei die Oberflächenstrukturen asymmetrisch ausgebildet sind und insgesamt eine überwiegend in eine Richtung des Lagerspaltes gerichtete Pumpwirkung erzeugen. Durch ungleich ausgebildete Oberflächenstrukturen wird ein höherer Druck im Bereich eines Axiallagers erzeugt, wodurch ein Verschleiß der Axiallagerflächen verringert werden kann.

Offenbarung der Erfindung

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die Formgebung der druckerzeugenden Oberflächenstrukturen in einem fluiddynamischen Lagersystem derart zu verbessern, dass die durch Fertigungstoleranzen hervorgerufenen negativen Effekte auf die Pumpwirkung der Strukturen verringert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein fluiddynamisches Radiallager mit druckerzeugenden Oberflächenstrukturen gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bevorzugte Ausgestaltungen und weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Das fluiddynamische Lagersystem mit druckerzeugenden Oberflächenstrukturen umfasst mindestens zwei relativ zueinander drehbare Lagerbauteile, die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt ausbilden. Die Oberflächenstrukturen sind auf mindestens einer Lagerfläche angeordnet und erzeugen bei relativer Drehung der Lagerbauteile einen hydrodynamischen Druck innerhalb des Lagerspalts. Jede Oberflächenstruktur umfasst zueinander abgewinkelte Abschnitte, wobei jeder Abschnitt eine Pumpwirkung in eine definierte Richtung erzeugt, und die Pumpwirkungen von jeweils benachbarten Abschnitten im wesentlichen entgegengesetzt gerichtet sind, wobei die Oberflächenstrukturen asymmetrisch ausgebildet sind und insgesamt eine überwiegend in eine Richtung des Lagerspaltes gerichtete Pumpwirkung erzeugen. Zum Ausgleich von Toleranzen im Lagerspalt sind erfindungsgemäß mindestens drei Abschnitte vorhanden, wobei der dritte Abschnitt eine zum ersten Abschnitt gleichgerichtete Pumpwirkung erzeugt.

Vorzugsweise sind die Abschnitte miteinander verbunden und gehen ineinander über. Sie können aber auch ganz oder teilweise separat ausgebildet sein und unmittelbar, in geringem Abstand, aneinander angrenzen, derart, dass die Pumpwirkung von miteinander verbundenen Oberflächenstrukturen nahezu erreicht wird.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung sind die Oberflächenstrukturen aus geraden, vorzugsweise nebeneinander liegenden Abschnitten zusammengesetzt, die in einem spitzen Winkel ineinander übergehen.

In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind die Oberflächenstrukturen aus gebogenen Abschnitten zusammengesetzt, wobei die Abschnitte zusammen eine etwa S-förmige oder schlangenlinienförmige Struktur ergeben.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können die Oberflächenstrukturen aus gebogenen und geraden Abschnitten zusammengesetzt sein, wobei die aneinander angrenzenden gebogenen Abschnitte etwa eine Parabelform bilden, und sich der gerade Abschnitt in einem spitzen Winkel an einen gebogenen Abschnitt anschließt.

Generell sind die einzelnen Abschnitte unterschiedlich lang ausgebildet sind und erzeugen eine unterschiedlich starke Pumpwirkung in unterschiedlichen Richtungen. Insbesondere erzeugen die einzelnen Abschnitte der Strukturen eine unterschiedlich starke Pumpwirkung in zwei unterschiedliche Richtungen.

Die Erfindung wird nun anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die nachfolgend beschriebenen Zeichnungen näher erläutert.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1: schematische Darstellung eines fluiddynamischen Radiallagers mit konischer Lagerbohrung und symmetrischen Oberflächenstrukturen auf der Welle (Stand der Technik);

2: asymmetrische parabelförmige Pumpstruktur (Stand der Technik);

3: Beispiele für erfindungsgemäße Pumpstrukturen mit geteilter Asymmetrie;

4: Beispiele für erfindungsgemäße Pumpstrukturen mit geteilter Asymmetrie und separaten Abschnitten;

5: schematische Darstellungen eines fluiddynamisches Radiallager mit konischer Abweichung von der Zylinderform und einer Pumpstruktur mit geteilter Asymmetrie
Beispielhafte Ausgestaltungen der Erfindung
Beispiele für erfindungsgemäße Strukturen sind in den 3 bis 5 dargestellt. Wird die Geometrie der Strukturen geteilt, kann der Einfluss konischer Lagerpartner zum Teil kompensiert werden.
Nachfolgend werden die Richtungsangaben links, rechts, oben und unten verwendet. Diese Richtungsangaben beziehen sich auf eine aufrechte Betrachtung der Zeichnungen.
3A zeigt eine asymmetrische Struktur 9, mit zwei gebogenen, parabelförmig miteinander verbundenen Abschnitten 9a, 9b und einem spitz angesetzten geraden Abschnitt 9c. Wird diese Struktur beispielsweise auf einer Welle 2 (vgl. 1) aufgebracht und die Welle nach rechts in Rotation versetzt, so erzeugen die Abschnitte 9a und 9c jeweils eine Pumpwirkung nach unten, während der Abschnitt 9b eine Pumpwirkung nach oben erzeugt. Es überwiegt daher bei gleichmäßigem Lagerspalt die Pumpwirkung nach unten, da der Abschnitt 9c kürzer ist als die Abschnitte 9a und 9b zusammen.
3B zeigt eine asymmetrische Struktur 10, mit zwei gekrümmten, parabelförmig miteinander verbundenen Abschnitten 10a, 10b und einem angesetzten gebogenen Abschnitt 10c mit entgegengesetzter Krümmung. Die Abschnitte 10a und 10c erzeugen jeweils eine Pumpwirkung nach unten, während der Abschnitt 10b eine Pumpwirkung nach oben erzeugt. Es überwiegt die Pumpwirkung nach unten, unter der Voraussetzung eines gleichmäßigen Lagerspaltes.
3C zeigt eine asymmetrische Struktur 11, mit drei geraden, jeweils in einem spitzen Winkel miteinander verbundenen Abschnitten 11a, 11b und 11c. Die Abschnitte 11a und 11c erzeugen jeweils eine Pumpwirkung nach unten, während der Abschnitt 11b eine Pumpwirkung nach oben erzeugt. Es überwiegt die Pumpwirkung nach unten.
In den 4A und 4B sind Strukturen 12 bzw. 13 mit ganz oder teilweise separat ausgebildeten Abschnitten dargestellt. Die Pumpwirkung dieser Strukturen entspricht der Wirkung der Strukturen 9 bzw. 11 der 3A und 3C.
Die Wirkungsweise der Strukturen 11 wird anhand der 5A und 5B erläutert. In der Praxis sind zwei extreme konische Abweichungen der Lagerbohrung von der idealen Zylinderform möglich (natürlich sind auch Abweichungen der Welle von der idealen Zylinderform denkbar). Je nach dem verbreitert sich der Lagerspalt in jeweils einer Richtung, also entweder nach oben oder nach unten. Die 5A und 5B zeigen diese Zustände.
Dargestellt ist jeweils ein Radiallager bestehend aus einer Lagerhülse 1 und einer Welle 2. Das Lager soll so ausgelegt werden, dass das im Lagerspalt 3 enthaltene Lagerfluid überwiegend nach unten gedrückt wird.
In 5A erzeugt die Oberflächenstruktur 11 generell eine nach unten gerichtete Pumpwirkung. Der sich nach oben verbreiternde Lagerspalt 3 erzeugt jedoch generell eine entgegengesetzt gerichtete Pumpwirkung nach oben.
Der obere Abschnitt 11a der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur 11 erzeugt eine Pumpwirkung nach unten. Durch den sich nach oben erweiternden Lagerspalt 3 hat der obere Abschnitt 11a der Struktur 11 jedoch eine geringere Wirkung als erwartet. Der untere Abschnitt 11c der Struktur 11 befindet sich dagegen in einem Bereich mit engem Lagerspalt und erzeugt ebenfalls eine Pumpwirkung nach unten, die größer ist als erwartet. Zusammen mit der Pumpwirkung des oberen Abschnitts 11a ist sie so stark, dass sie die Wirkung des nach oben pumpenden Abschnitts 11b der Struktur 11, der sich in einem Bereich mit enger werdendem Lagerspalt befindet, kompensiert. So ergibt sich trotz ungleich breitem Lagerspalt, wie erwartet, insgesamt eine überwiegend nach unten gerichtete Pumpwirkung.
In 5B sind die Verhältnisse im Lagerspalt 3 umgekehrt, da sich der Lagerspalt 3 nach oben verengt. Der obere Abschnitt 11a der erfindungsgemäßen Oberflächenstruktur 11 erzeugt eine Pumpwirkung nach unten. Durch den sich nach oben verengenden Lagerspalt hat der obere Abschnitt 11a der Struktur 11 jedoch eine größere Wirkung als erwartet. Der untere Abschnitt 11c der Struktur 11 befindet sich dagegen in einem Bereich mit breitem Lagerspalt und erzeugt daher kaum eine Pumpwirkung nach unten. Der mittlere Abschnitt 11b der Struktur 11, befindet sich einem Bereich mit enger werdendem Lagerspalt und erzeugt eine relativ große Pumpwirkung nach oben. Auch hier ergibt sich trotz ungleich breitem Lagerspalt, wie erwartet, insgesamt eine überwiegend nach unten gerichtete Pumpwirkung.
Durch die abschnittsweise Ausbildung der erfindungsgemäßen Oberflächenstrukturen haben Toleranzen in der Geometrie des Lagerspalts eine geringere Wirkung auf die vordefinierte Pumprichtung.

1: Lagerbauteil (Lagerhülse)
2: Lagerbauteil (Welle)
3: Lagerspalt
4: Oberflächenstruktur (symmetrisch)
5: Pfeilrichtung
6: Rotationsachse
7: Oberflächenstruktur (asymmetrisch)
7a: Abschnitt
7b: Abschnitt
8: Pfeilrichtung
9: Oberflächenstruktur (geteilt asymmetrisch)
9a: Abschnitt
9b: Abschnitt
9c: Abschnitt
10: Oberflächenstruktur (geteilt asymmetrisch)
10a: Abschnitt
10b: Abschnitt
10c: Abschnitt
11: Oberflächenstruktur (geteilt asymmetrisch)
11a: Abschnitt
11b: Abschnitt
11c: Abschnitt
12: Oberflächenstruktur (geteilt asymmetrisch)
13: Oberflächenstruktur (geteilt asymmetrisch)

Claims

Fluiddynamisches Radiallager mit druckerzeugenden Oberflächenstrukturen, mit mindestens zwei relativ zueinander drehbaren Lagerbauteilen (1, 2), die zwischen einander zugeordneten Lagerflächen einen mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt (3) ausbilden, wobei die Oberflächenstrukturen auf mindestens einer Lagerfläche angeordnet sind und bei relativer Drehung der Lagerbauteile einen hydrodynamischen Druck innerhalb des Lagerspalts erzeugen, wobei jede Oberflächenstruktur (9; 10; 11; 12; 13) zueinander abgewinkelte Abschnitte (9a, 9b, 9c; 10a, 10b, 10c; 11a, 11b, 11c) umfasst, wobei jeder Abschnitt eine Pumpwirkung in eine definierte Richtung erzeugt, und die Pumpwirkungen von jeweils benachbarten Abschnitten im wesentlichen entgegengesetzt gerichtet sind, wobei die Oberflächenstrukturen (9; 10; 11; 12; 13) asymmetrisch ausgebildet sind und insgesamt eine überwiegend in eine Richtung des Lagerspaltes (3) gerichtete Pumpwirkung erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass zum Ausgleich von Toleranzen im Lagerspalt mindestens drei Abschnitte vorhanden sind, und dass der dritte Abschnitt eine zum ersten Abschnitt gleichgerichtete Pumpwirkung erzeugt.
Fluiddynamisches Radiallager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (9a, 9b, 9c; 10a, 10b, 10c; 11a, 11b, 11c) der Oberflächenstrukturen (9; 10; 11) miteinander verbunden sind und ineinander übergehen.
Fluiddynamisches Radiallager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte der Oberflächenstrukturen (12, 13) ganz oder teilweise separat ausgebildet sind und so mit geringem Abstand aneinander angrenzen, dass die Pumpwirkung von miteinander verbundenen Oberflächenstrukturen nahezu erreicht wird.
Fluiddynamisches Radiallager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (11) aus geraden Abschnitten (11a, 11b, 11c) zusammengesetzt ist.
Fluiddynamisches Radiallager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (10) aus gebogenen Abschnitten (10a, 10b, 10c) zusammengesetzt ist, wobei die Abschnitte zusammen eine etwa S-förmige oder schlangenlinienförmige Struktur ergeben.
Fluiddynamisches Radiallager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur (9) aus gebogenen (9a, 9b) und geraden Abschnitten (9c) zusammengesetzt ist, wobei die aneinander angrenzenden gebogenen Abschnitte etwa eine Parabelform bilden und sich der gerade Abschnitt an einen gebogenen Abschnitt anschließt.
Fluiddynamisches Radiallager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Abschnitte der Strukturen (9; 10; 11; 12; 13) unterschiedlich lang ausgebildet sind.
Fluiddynamisches Radiallager nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Abschnitte der Strukturen (9; 10; 11; 12, 13) eine unterschiedlich starke Pumpwirkung in zwei unterschiedliche Richtungen erzeugen.