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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lager, insbesondere ein Lager, das für beide Drehrichtungen geeignet ist, also beispielsweise zur Lagerung von bidirektional drehenden Elektromotoren, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Gängige fluiddynamische Lager nach dem Stand der Technik, wie sie etwa zum Antrieb von Spindelmotoren verwendet werden, lassen sich lediglich in einer Drehrichtung betreiben. Eine bekannte Ausgestaltung eines Spindelmotors mit einem fluiddynamischen Lager für eine Drehrichtung ist in der
DE 102 39 650 B3 offenbart. Der Spindelmotor umfasst eine Grundplatte mit einer im wesentlichen zentral angeordneten, angeformten Hülse, in die eine Lagerbuchse eingesetzt ist. Die Lagerbuchse weist eine axiale Bohrung zur Aufnahme einer Welle auf. Die Welle rotiert frei in der feststehenden Lagerbuchse und bildet zusammen mit dieser ein fluiddynamisches Radiallager. Die in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen von Welle und Lagerbuche sind durch einen dünnen, konzentrischen und mit einem Lagerfluid, z. B. Öl oder Luft, gefüllten Lagerspalt voneinander beabstandet. In wenigstens einer Lageroberfläche ist eine Rillenstruktur eingearbeitet, welche infolge der rotatorischen Relativbewegung zwischen Welle und Lagerbuchse lokale Beschleunigungskräfte auf das im Lagerspalt befindliche Lagerfluid ausübt. Auf diese Weise wird im Lagerfluid ein Druck aufgebaut und es entsteht eine Art Pumpwirkung auf das Lagerfluid, die zur Ausbildung eines homogenen und gleichmäßig dicken Fluidfilms innerhalb des Lagerspalts führt, der durch Zonen fluiddynamischen Druckes stabilisiert wird.
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Ein großes Problem bei fluiddynamischen Gleitlagern stellt die Kavitation dar. Unter Kavitation versteht man die Bildung und Auflösung von Hohlräumen im Lagerfluid durch Druckschwankungen. Kavitation tritt insbesondere in fluiddynamischen Lagern auf, die in beiden Drehrichtungen betreibbar sind. Unter normalen Betriebsbedingungen ist im Lagerfluid bis zu 10% an Luft gelöst. Wenn der Druck im Lager unter den Umgebungsdruck fällt, tritt ein Ausgasen der Luft aus dem Lager in Form von Luftblasen auf. Durch die im Lagerspalt befindlichen Luftblasen verschlechtern sich die dynamischen Eigenschaften des Lagers und es kann im schlimmsten Fall zu Beschädigungen an den Lagerbauteilen kommen.
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Die
JP2001-254739 A offenbart ein Lager, das lediglich für eine Drehrichtung geeignet ist und mehrere axial beabstandete Lagerrillen aufweist, die durch in Umfangsrichtung verlaufende Rillen getrennt sind. Ferner ist offenbart, dass die in Umfangsrichtung verlaufenden Rillen durch einen oder mehrere Verbindungskanäle miteinander verbunden sind.
Die
US 2006/0171615 A1 offenbart z.B. in den
3-5 ein Sinterlager mit zwei Radiallagerbereichen und einem dazwischen angeordneten Separatorspalt. Der Separatorspalt hat insgesamt eine deutlich größere Spaltbreite als die Radiallagerbereiche. Im Bereich des Separatorspalts sind Kanäle angeordnet.
Die
JP S59-17018 A zeigt ein Lager für eine einzige Drehrichtung, welches Radiallagerstrukturen aufweist, die durch eine tiefe Nut voneinander getrennt sind.
DE 26 24 849 A1 offenbart ein Radialgleitlager mit Rillenstrukturen, bei dem sich auf der Umfangsfläche Bereiche von Pumpstrukturen abwechseln, die das Schmiermittel abwechselnd in die eine Richtung und in die andere Richtung pumpen.
Zwischen unterschiedlichen Bereichen können tiefe Nuten angeordnet sein.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein für zwei Drehrichtungen geeignetes fluiddynamisches Lager mit verringerter Neigung zur Kavitation und damit zur Bildung von Luftblasen im Lager anzugeben, welches beispielsweise als Kugellager-Ersatz Verwendung finden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen und weitere Merkmale der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Das vorgeschlagene fluiddynamische Lager umfasst ein erstes Lagerbauteil und ein relativ zu dem ersten Lagerbauteil bewegliches zweites Lagerbauteil. Die Lagerbauteile weisen einander gegenüberliegende Lagerflächen auf, wobei mindestens eine Lagerfläche mit einer Rillenstruktur versehen ist, die eine Anzahl von in die Lagerfläche eingebrachten Vertiefungen umfasst. Die Rillenstruktur ist in mehrere Abschnitte unterteilt. Erfindungsgemäß sind die Abschnitte der Rillenstruktur durch in die Lagerfläche eingebrachte Kanäle voneinander getrennt. Dabei kann das Lager etwa als Radial- oder als Axiallager ausgebildet sein.
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Während einer Bewegung der Lagerflächen relativ zueinander, erzeugt die Rillenstruktur, die in Form von Lagerrillen in mindestens eine Lagerfläche eingebracht ist, einen hydrodynamischen Druck im Lagerfluid. Durch die Art und Ausgestaltung der Rillenstruktur, beispielsweise ein Fischgrätmuster, baut sich der Druck nicht gleichmäßig im Lagerspalt auf, sondern es ergeben sich Bereiche mit hohem Druck (positiver Druck) und Bereiche mit niederem Druck (negativer Druck). In den Bereichen mit negativem Druck kann es zu einem Kavitationseffekt kommen, was die Bildung von Luftblasen im Lagerfluid und damit im Lagerspalt fördert. Erfindungsgemäß sind nun zwischen einzelnen Abschnitten der Rillenstruktur Kanäle vorgesehen, die für einen gewissen Druckausgleich zwischen Zonen mit hohem Druck und Zonen mit niederem Druck sorgen. Dadurch wird die Neigung zur Kavitation und der Bildung von Luftblasen wesentlich verringert.
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Genauso wie die Rillenstruktur, die in Form von rillenartigen Vertiefungen in der Lagerfläche ausgebildet ist, sind auch die Kanäle als Vertiefungen der Lagerfläche ausgebildet. Je nach Anwendung kann die Tiefe der Kanäle, also die Ausdehnung der Kanäle ausgehend von der Oberfläche des entsprechenden Lagerbauteils senkrecht in das Lagerbauteil, größer, gleich oder auch kleiner sein als die Tiefe der Vertiefungen. Es hat sich jedoch als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Tiefe der Kanäle größer ist als die Tiefe der Vertiefungen der Rillenstrukturen.
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Dabei ist es möglich, die druckerzeugenden Rillenstrukturen in die Lagerfläche eines ersten Lagerbauteils, etwa der Nabe, einzubringen und die Kanäle in der Lagerfläche des gegenüberliegenden zweiten Lagerbauteils, etwa der Welle, vorzusehen.
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Erfindungsgemäß verlaufen sowohl die Abschnitte der Rillenstruktur als auch die Kanäle parallel zur Richtung der Relativbewegung der beiden Lagerflächen. Um die druckausgleichende Wirkung der Kanäle noch zu steigern ist vorzugsweise vorgesehen, dass benachbarte Kanäle durch einen oder mehrere Verbindungskanäle miteinander verbunden sind. Die Verbindungskanäle verlaufen dabei senkrecht zu den Kanälen, also quer zur Richtung der Relativbewegung der beiden Lagerflächen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei ergeben sich aus den Zeichnungen und ihre Beschreibung weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung.
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Wie gesagt, kann das erfindungsgemäße Lagersystem beispielsweise als Kugellager-Ersatz in bidirektional drehenden Elektromotoren eingesetzt werden.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen schematischen Schnitt durch ein fluiddynamisches Lager, wie es erfindungsgemäß ausgestaltet sein kann.
- 2 zeigt eine Abwicklung einer Lagerfläche der Welle oder Lagerbuchse mit erfindungsgemäßen Rillenstrukturen und Kanälen.
- 3 zeigt eine Simulation einer typischen Druckverteilung im Lagerspalt zu 2.
- 4 zeigt die Abwicklung einer Lagerfläche der Welle oder der Lagerbuchse nach dem Stand der Technik.
- 5 zeigt eine Simulation einer Druckverteilung entlang der Lagerfläche im Lagerspalt zu 4.
- 6 zeigt die Abwicklung eines Teiles einer anderen Ausgestaltung einer Lagerfläche.
- 7 zeigt eine Simulation der Druckverteilung im Lagerfluid über der Lagerfläche aus 6.
- 8 zeigt ein Diagramm des Druckverlaufs der Lager aus den 2, 4 und 6 jeweils entlang der Linie 34 (2), 134 (4) und 234 (6).
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Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
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1 zeigt schematisch den Aufbau eines fluiddynamischen Lagers, wie es z. B. zur Drehlagerung von Elektromotoren verwendet werden kann.
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Das fluiddynamische Lager umfasst eine Lagerbuchse 10 und eine Welle 12, die in einer axialen Bohrung der Lagerbuchse 10 angeordnet ist. Die Welle 12 ist frei drehbar um eine Drehachse 14 in der Bohrung der Lagerbuchse 10 aufgenommen, wobei die beiden Teile zusammen ein Radiallager bilden. Die in gegenseitiger Wirkverbindung stehenden Lageroberflächen von Welle 12 und Lagerbuchse 10 sind durch einen wenige Mikrometer breiten konzentrischen und mit einem Lagerfluid gefüllten Lagerspalt 16 voneinander beabstandet. Das Lagerfluid bildet einen zusammenhängenden, kapillaren Schmiermittelfilm, der zusammen mit einem selbstzentrierenden Mechanismus des fluiddynamischen Radiallagers für eine stabile, konzentrische Rotation der Welle 12 in der Lagerbuchse 10 sorgt. Auf mindestens einer Lageroberfläche von Lagerbuchse 10 und Welle 12 sind Rillenstrukturen eingearbeitet, die bei Rotation der Welle 12 einen Druckaufbau im Lagerfluid bewirken, so dass das Lager tragfähig wird.
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Eine Verschiebung der Welle 12 entlang der Rotationsachse 14 wird durch fluiddynamische Axiallager verhindert. Die Axiallager werden vorzugsweise durch die beiden Stirnflächen einer an einem Ende der Welle 12 angeordneten Druckplatte 18 gebildet. Einer Stirnfläche der Druckplatte 18 ist eine entsprechende Stirnfläche der Lagerbuchse 10 und der anderen Stirnfläche der Druckplatte 18 eine innenliegende Stirnfläche einer Gegenplatte 20 zugeordnet. Die Gegenplatte 20 bildet also ein Gegenlager zur Druckplatte 18, verschließt das gesamte Lagersystem hermetisch und verhindert, dass Luft in den mit Lagerfluid gefüllten Lagerspalt eindringt.
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2 zeigt die Abwicklung eines Teiles einer Lagerfläche 22, beispielsweise einer Lagerfläche 22 der Welle 12. Diese Lagerfläche 22 liegt einer entsprechenden Lagerfläche der Lagerbuchse 10 gegenüber und ist von dieser durch den Lagerspalt 16 getrennt, der mit einem Lagerfluid, vorzugsweise Öl, gefüllt ist.
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Bei einer Rotation der Welle 12 in der Lagerbuchse 10 bewegt sich im übertragenen Sinne die Lagerfläche 22 von links nach rechts bzw. rechts nach links in der Zeichenebene. Bei einer Bewegung der Lagerfläche von rechts nach links bedeutet dies beispielsweise eine Relativbewegung des Lagerfluids in Pfeilrichtung 24 von links nach rechts. Die Lagerfläche 22 umfasst Rillenstrukturen 26 in Form eines Fischgrätmusters, wie es aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt ist. Die Vertiefungen der Rillenstruktur 26 sind in den Zeichnungen schraffiert gekennzeichnet, unbearbeiteten Oberflächen sind weiß. Die dargestellte Rillenstruktur ist so ausgebildet, dass sie für beide Drehrichtungen eine gleichgroße Pumpwirkung erzeugt, so dass das Lager gemäß 1 in beiden Drehrichtungen betrieben werden kann. Dies wird dadurch erreicht, dass die Rillenstrukturen eine symmetrische Druckwirkung in beide Drehrichtungen erzeugen. Hierzu ist die Rillenstruktur in mehrere Abschnitte 28 unterteilt, im gezeigten Beispiel fünf Abschnitte 28a, 28b, 28c, 28d und 28e. Diese Abschnitte 28 verlaufen ringförmig quer zur Rotationsachse 14, also parallel zur Bewegungsrichtung der Lagerfläche 22. Jeder Abschnitt 28 der Rillenstruktur 26 ist durch ein Rillenmuster gekennzeichnet, dass als Vertiefung in der Lagerfläche 22 ausgebildet ist. Jede Rille erzeugt einen positiven Druck (Überdruck) an ihrem Ende (aufgrund einer plötzlichen Kompression des Lagerfluids) und einen negativen Druck (Unterdruck) an ihrem Kopf (aufgrund einer plötzlichen Expansion des Lagerfluids). In 2 fließt das Lagerfluid von links nach rechts, das heißt das Kopfende jeder Rille befindet sich in Richtung stromaufwärts und das Schwanzende jeder Rille in Richtung stromabwärts des Flusses des Lagerfluids. Wenn die Rotation des Lagers umgekehrt wird, fließt auch das Lagerfluid in die andere Richtung und die Positionen von Kopf und Schwanzende werden ebenfalls vertauscht. Das Kopfende ist immer die Spitze der Rille in der stromaufwärtsgerichteten Richtung.
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Die Abschnitte 28a bis 28e der Rillenstruktur sind jeweils durch in die Lagerfläche eingebrachte Kanäle 30a, 30b, 30c, 30d, 30e, 30f voneinander getrennt. Diese Kanäle 30 verlaufen ebenfalls parallel zur Bewegungsrichtung der Lagerfläche 22. Die Kanäle weisen eine größere Tiefe auf als beispielsweise die Rillen der Rillenstruktur. Bei einem Lagersystem für einen Spindelmotor mit einem Wellendurchmesser von beispielsweise einigen Millimetern beträgt die Tiefe der Kanäle beispielsweise 100 µm und die Tiefe der Rillenstrukturen beispielsweise weniger als 10 µm. Die Kanäle 30, insbesondere die Kanäle 30b und 30c sowie 30d und 30e sind vorzugsweise durch Verbindungskanäle 32a bis 32d miteinander verbunden. Es können mehrere Verbindungskanäle auf der Lagerfläche 22 verteilt angeordnet sein. Die Verbindungskanäle 32 sind vorzugsweise gleich tief wie die Kanäle 30. In den Zeichnungen sind die Kanäle 30a-30f und Verbindungskanäle 32a-32d punktiert dargestellt.
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3 zeigt eine Simulation der Druckverteilung im Lagerfluid über der Lagerfläche 22. In 3 ist der Verlauf der Kanäle 30 und 32angedeutet, so dass die Druckverteilung besser dem Bild in 2 zugeordnet werden kann. Die Druckverteilung wurde für einen Fluss des Lagerfluids in Pfeilrichtung 24 ermittelt. Schaut man sich beispielsweise die Druckverteilung entlang der Schnittlinie 34 an, so erkennt man abwechselnd Zonen 1 mit niederem Druck und Zonen 5 mit sehr hohem Druck. Dazwischen liegen Zonen 2, 3, 4 mit unterschiedlichem, mittlerem Druck (vgl. Legende). Benachbarte Abschnitte der Rillenstrukturen erzeugen einen positiven Druck im Bereich der Kanäle 30b und 30d, und einen negativen Druck im Bereich der Kanäle 30c und 30e. Durch die Verbindungskanäle 32a und 32d kann nun ein Austausch von Lagerfluid zwischen dem einen hohen Druck führenden Kanal 30b und einem niederen Druck führenden Kanal 30c bzw. einem hohen Druck führenden Kanal 30d und einen niederen Druck führenden Kanal 30e erfolgen.
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Jeder Rillenabschnitt 28a bis 28e der Rillenstruktur hat einen Pumpeffekt, der von den Rilleneigenschaften wie Tiefe, Länge, Winkel etc. abhängt. Um das Lagerfluid permanent im Lager bzw. Lagerspalt zu halten, kann der Gesamt-Pumpeffekt der Abschnitte 28a, 28c und 28e gleich groß aber entgegengesetzt sein, wie der Gesamt-Pumpeffekt der Abschnitte 28b und 28d. Um den Gesamtpumpeffekt zu neutralisieren, sind randseitige Rillenabschnitte 28a und 28e vorgesehen, welche eine kürzere Rillenlänge haben, als die drei zentralen, dazwischenliegenden Abschnitte 28b, 28c und 28d. Es ist möglich, eine andere Anzahl von Rillenabschnitten im zentralen Bereich der Lagerfläche 22 vorzusehen, solange die Anzahl der zentralen Abschnitte 28b, 28c, 28d eine ungerade Zahl ist, beispielsweise 1, 3 (wie in der 2 dargestellt), 5, 7, 9, etc. Die ungerade Anzahl von zentralen Rillenabschnitten ist notwendig, um insgesamt eine neutrale Pumpwirkung des Lagers zu erhalten. Falls jedoch eine Pumpwirkung in eine definierte Richtung notwendig ist, kann die Länge der beiden äußeren Rillenabschnitte 28a und 28e entsprechend geändert werden.
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4 und 5 zeigen eine Oberflächenstruktur einer Lagerfläche 122 sowie eine entsprechende Druckverteilung im Lagerfluid. Die Lagerfläche 122 umfasst ebenfalls eine Rillenstruktur 126, die in entsprechende Abschnitte 128a bis 128e unterteilt ist Diese Abschnitte enthalten unterschiedlich ausgerichtete Rillenstrukturen, die für einen gewünschten Pumpeffekt sorgen, je nach Ausgestaltung der Rillenstrukturen. Im Gegensatz zu 2 sind hier jedoch keine Kanäle und Verbindungskanäle vorgesehen.
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5 zeigt nun die Druckverteilung im Lager gemäß 4. Im Gegensatz zu 3 erkennt man in 5 sehr viel ausgeprägtere Druckzonen 1 bis 5, insbesondere ausgeprägte Druckminima 1 sowie ausgeprägte Druckmaxima 5. Ebenfalls sind die Druckunterschiede zwischen Druckminima und Druckmaxima wesentlich größer als die Druckunterschiede zwischen Druckminima und Druckmaxima in 3. Dadurch kommt es bei einer Lagerstruktur gemäß den 4 und 5 sehr viel eher zu einem Kavitationseffekt, so dass sich Luftblasen bilden, die die Eigenschaften des Lagers verschlechtern.
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6 zeigt die Abwicklung eines Teiles einer anderen Ausgestaltung einer Lagerfläche 222, beispielsweise einer Lagerfläche 222 der Lagerbuchse 10 aus 1. Die Lagerfläche 222 liegt einer entsprechenden Lagerfläche der Welle gegenüber und ist von dieser durch den Lagerspalt 16 getrennt, der mit einem Lagerfluid, vorzugsweise Öl, gefüllt ist.
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Bei einer Rotation der Welle 12 in der Lagerbuchse 10 bewegt sich im übertragenen Sinne die Lagerfläche 222 von links nach rechts bzw. rechts nach links in der Zeichenebene. Bei einer Bewegung der Lagerfläche 222 von rechts nach links bedeutet dies beispielsweise eine Relativbewegung des Lagerfluids in Pfeilrichtung 224 von links nach rechts. Die Lagerfläche 222 umfasst Rillenstrukturen 226 in Form eines Fischgrätmusters, wie es aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt ist. Die dargestellte Rillenstruktur ist so ausgebildet, dass sie für beide Drehrichtungen eine gleichgroße Pumpwirkung erzeugt, so dass ein mit dieser Lagerfläche 222 ausgerüstetes Lager in beiden Drehrichtungen betrieben werden kann. Die Rillenstruktur ist wiederum in mehrere Abschnitte 228 unterteilt, im gezeigten Beispiel fünf Abschnitte 228a, 228b, 228c, 228d und 228e. Diese Abschnitte 228 verlaufen parallel zur Bewegungsrichtung der Lagerfläche 222. Jeder Abschnitt 228a-228f der Rillenstruktur 226 ist durch ein Rillenmuster gekennzeichnet, das als Vertiefung in der Lagerfläche 222 ausgebildet ist Jede Rille erzeugt einen positiven Druck (Überdruck) an ihrem Ende (aufgrund einer plötzlichen Kompression des Lagerfluids) und einen negativen Druck (Unterdruck) an ihrem Kopf (aufgrund einer plötzlichen Expansion des Lagerfluids). In 6 fließt das Lagerfluid von links nach rechts, das heißt das Kopfende jeder Rille befindet sich in Richtung stromaufwärts und das Schwanzende jeder Rille in Richtung stromabwärts des Flusses des Lagerfluids. Wenn die Rotation des Lagers umgekehrt wird, fließt das Lagerfluid in die andere Richtung und die Positionen von Kopf und Schwanzende werden ebenfalls vertauscht. Das Kopfende ist immer die Spitze der Rille in der stromaufwärtsgerichteten Richtung.
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Die Abschnitte 228a bis 228e der Rillenstruktur sind jeweils durch in die Lagerfläche eingebrachte Kanäle 230a, 230b, 230c, 230d, 230e, 230f voneinander getrennt. Diese. Kanäle 230 verlaufen ebenfalls parallel zur Bewegungsrichtung der Lagerfläche 222. Die Kanäle 230 weisen eine größere Tiefe auf als beispielsweise die Rillen der Rillenstruktur. Bei einem Lagersystem für einen Spindelmotor mit einem Wellendurchmesser von beispielsweise einigen Millimetern beträgt die Tiefe der Kanäle beispielsweise 100 µm und die Tiefe der Rillenstrukturen beispielsweise weniger als 10 µm.
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In diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind keine speziellen Verbindungskanäle zwischen den Kanälen 230b und 230c sowie 230d und 230e vorgesehen, sondern diese Funktion wird von Verbindungsrillen 232a und 232b übernommen. Diese Verbindungsrillen 232a und 232b sind Teil der Rillenstrukturen 226, jedoch weisen sie eine größere Rillentiefe auf als die übrigen Rillenstrukturen. Es können mehrere Verbindungsrillen auf der Lagerfläche 222 verteilt angeordnet sein. Die Verbindungsrillen sind vorzugsweise gleich tief wie die Kanäle 230a-230f.
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7 zeigt eine Simulation der Druckverteilung im Lagerfluid über der Lagerfläche 222. Die Druckverteilung wurde wiederum für einen Fluss des Lagerfluids in Pfeilrichtung 224 ermittelt. Schaut man sich beispielsweise die Druckverteilung entlang der Schnittlinie 234 an, so erkennt man abwechselnd Zonen 1 mit niederem Druck und Zonen 5 mit sehr hohem Druck. Dazwischen liegen Zonen 2, 3, 4 mit unterschiedlichem mittlerem Druck (vgl. Legende). Benachbarte Abschnitte der Rillenstrukturen erzeugen einen positiven Druck im Bereich der Kanäle 230b und 230d, und einen negativen Druck im Bereich der Kanäle 230c und 230e. Durch die Verbindungsrillen 232a und 232b kann nun ein Austausch von Lagerfluid zwischen dem einen hohen Druck führenden Kanal 230b und einem niederen Druck führenden Kanal 230c bzw. einem hohen Druck führenden Kanal 230d und einen niederen Druck führenden Kanal 230e erfolgen.
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Jeder Rillenabschnitt 228a bis 228e der Rillenstruktur hat einen Pumpeffekt der von den Rilleneigenschaften wie Tiefe, Länge, Winkel etc. abhängt. Um das Lagerfluid permanent im Lager bzw. Lagerspalt zu halten, kann der Pumpeffekt der Abschnitte 228a, 228c und 228e gleich groß sein, wie der Pumpeffekt der Abschnitte 228b und 228d. Um den Gesamtpumpeffekt zu neutralisieren, sind randseitige Rillenabschnitte 228a und 228e vorgesehen, welche eine kürzere Rillenlänge haben, als die drei zentralen, dazwischenliegenden Abschnitte 228b, 228c und 228d.
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8 zeigt ein Diagramm, das den Druckverlauf entlang der Linie 34 in den 2 und 3, der Linie 134 in den 4 und 5 und der Linie 234 in den 6 und 7 darstellt. Die Abszisse des Diagramms bezeichnet die Breite der Lagerfläche; diese ist einer willkürlichen Einheit zugeordnet. In der Ordinate ist der jeweils herrschende Druck in Pascal bezeichnet. Man erkennt beispielsweise in Kurve 36, die den Druckverlauf gemäß Dem Ausführungsbeispiel der 2 und 3 darstellt dass der Druck vom Randbereich, also vom Bereich des Kanals 230a, wo er etwa dem Umgebungsdruck entspricht, in Richtung des Kanals 230b ansteigt um dann in Richtung des Kanals 230c in einen negativen Druckbereich zu fallen, um wiederum in Richtung des Kanals 230d anzusteigen und in Richtung des Kanals 230e wieder abzufallen, bis der Druck im Randbereich beim Kanal 230f wieder den Umgebungsdruck erreicht. Der Druckunterschied zwischen negativem Druck und positivem Druck beträgt etwa 1 × 105 Pa.
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Der Druckverlauf gemäß der Kurve 236, der dem Ausführungsbeispiel der 6 und 7 entspricht, ist nahezu identisch zum Druckverlauf gemäß der Kurve 36. Daraus ergibt sich dass die Verbindungsrillen 232a, 232b aus den 6 und 7 ihre Aufgabe als druckausgleichende Elemente genauso gut erfüllen wie die Verbindungskanäle 32a-32d aus den 2 und 3.
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Bei der Ausführungsform gemäß den 4 und 5 ohne Druckausgleich durch die Kanäle und Verbindungskanäle bzw. Verbindungsrillen entspricht der Druck im Randbereich der Lagerfläche ebenfalls dem Umgebungsdruck und steigt dann sehr stark an. Der Druck erreicht ein Druckmaximum, um dann wieder bis zu einem Druckminimum stark abzufallen. Das Druckminimum entspricht einem starken Unterdruck. Von diesem Unterdruckbereich steigt der Druck wiederum stark an bis in eine Überdruckzone, um dann wieder abzufallen in eine Unterdruckzone und bis zum Rand wieder zum Umgebungsdruck zu steigen. Der Druckunterschied bei einem Lager mit einer Lagerfläche ohne druckausgleichende Kanäle ist um ein Vielfaches größer als der Druckunterschied bei einem Lager mit ausgleichenden Kanälen und beträgt hier etwa mehr als 2,5×105 Pa. Insbesondere die ausgeprägten Unterdruckzonen, die nahezu ein Vakuum darstellen, begünstigen das Auftreten von Kavitation und Luftblasen im Lagerfluid.
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Im Gegensatz dazu werden also durch die Kanäle 30 bzw. 230 und die Verbindungskanäle 32 bzw. Verbindungsrillen 232 der Absolutwert, insbesondere des negativen Druckes, bzw. die Druckunterschiede im Lager reduziert.
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Bezugszeichenliste
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- 1-5
- Zonen unterschiedlichen Drucks
- 10
- Lagerbuchse
- 12
- Welle
- 14
- Drehachse
- 16
- Lagerspalt
- 18
- Druckplatte
- 20
- Gegenplatte
- 22
- Lagerfläche
- 24
- Fließrichtung d. Lagerfluids
- 26
- Rillenstruktur
- 28
- Abschnitte 28a-28e
- 30
- Kanäle 30a-30f
- 32
- Verbindungskanäle 32a-32d
- 34
- Schnittlinie
- 36
- Druckverlauf (Querschnitt)
- 122
- Lagerfläche
- 124
- Fließrichtung d. Lagerfluids
- 126
- Rillenstruktur
- 128
- Abschnitte 128a-128e
- 134
- Schnittlinie
- 136
- Druckverlauf (Querschnitt)
- 222
- Lagerfläche
- 224
- Fließrichtung d. Lagerfluids
- 226
- Rillenstruktur
- 228
- Abschnitte 228a-28e
- 230
- Kanäle 230a-230f
- 232
- Verbindungsrillen 232a, 232b
- 234
- Schnittlinie
- 236
- Druckverlauf (Querschnitt)
