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Die Erfindung bezieht sich auf gasdynamische Luftlager zur Radiallagerung einer Welle, insbesondere der Rotorwelle eines Turboladers, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiges Luftlager ist Gegenstand der
CZ 2003 3062 A . Bei diesem bekannten Luftlager ist in jedes Lagersegment außenseitig ein zur Lagerachse radialer Bolzen einstellbar eingeschraubt, der mit einem glatten Schaftbereich axial verschiebbar in einer Radialbohrung eines Lagergehäuses angeordnet ist. Der mögliche axiale Verschiebeweg wird einerseits durch einen am Bolzen angeordneten Kragen, der zwischen dem Lagersegment und der zugewandten Innenseite des Lagergehäuses vorgesehen ist, und andererseits durch eine einstellbare Mutter begrenzt, die auf einem Gewindeabschnitt am segmentfernen Ende des Bolzens einstellbar aufgeschraubt ist und mit einer Anschlagfläche auf der Gehäuseaußenseite zusammenwirkt. Zwischen dem Kragen und der Innenseite des Lagergehäuses ist eine als Blattfeder ausgebildete Anschlagfederung angeordnet bzw. eingespannt.
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Nachteilig bei dieser Lösung ist die einstellbare Verschraubung des Bolzens mit dem Lagersegment. Diese eignet sich nur für Lagersegmente mit einer größeren Dicke, so dass der Bolzen im Lagersegment aufgenommen werden kann. Ein weiterer Nachteil ist die lose Verbindung des Bolzens mit dem Lagergehäuse. Bei einer radialen Bewegung des Lagersegments bewegt sich der Bolzen in der Radialbohrung des Gehäuses, was zum Verschleiß des Bolzens und/oder der Gehäusebohrung führt. Dieser Verschleiß führt wiederum zu einem vergrößerten Spiel zwischen dem Bolzen und dem Lagergehäuse, so dass die erwünschte Positionierung des Segments durch den Bolzen nicht mehr erreichbar ist.
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Deshalb ist es Aufgabe der Erfindung, ein entsprechend verbessertes Luftlager zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Lagersegmente an gehäusefesten Bolzen zu positionieren und durch Schraubverstellbarkeit der Bolzen am Gehäuse den Mindestabstand der Anschlagfederung von der Lagerachse einzustellen.
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In diesem Zusammenhang ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Lagersegmente zwischen dem Umfang der Welle und der Anschlagfederung ein vorgegebenes, einstellbares Spiel in Radialrichtung der Lagerachse aufweisen, wenn die Achse der Welle in die vorgegebene Lagerachse fällt.
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Damit stellt sich bei Rotation der Welle zwischen den Lagersegmenten und dem Wellenumfang innerhalb einer äußerst kurzen Anlaufphase ein tragender Luftspalt ein, dessen mittlere Breite zunächst durch das Maß des Spieles bestimmt wird, welches den Lagersegmenten in Radialrichtung zur Lagerachse zwischen dem Wellenumfang und der jeweiligen Anschlagfederung zur Verfügung steht. Die Nachgiebigkeit der Anschlagfederung wird bei der Erfindung also erst dann wirksam, wenn die Welle das die Welle lagernde Luftpolster im Luftspalt aufgrund von äußeren Störkräften stärker belastet oder wenn sich bei sehr hohen Drehzahlen ein Luftpolster mit erhöhter Mächtigkeit bildet.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Krümmungsradius der der Welle zugewandten Seite jedes Lagersegmentes geringfügig größer ist als der Radius des Wellenumfanges. Dadurch wird der gasdynamische Aufbau der die Welle lagernden Luftpolster zwischen den Segmenten und dem Wellenumfang begünstigt.
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In diesem Zusammenhang ist besonders vorteilhaft, dass die Lagersegmente an den gehäuseseitigen Bolzen mit Spiel gehaltert sind, so dass die Lagersegmente jeweils eine für die sich aufbauenden Luftpolster optimale Position bei Rotation der Welle einnehmen können. Insbesondere besteht die Möglichkeit, dass der Luftspalt zwischen Lagersegment und Welle an dem der Rotationsrichtung der Welle entgegengesetzten Ende des jeweiligen Lagersegmentes eine größere Breite haben kann als an dem in Rotationsrichtung der Welle weisenden anderen Ende des Lagersegmentes, die Breite des Luftspaltes verjüngt sich, also in Rotationsrichtung.
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Im Übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfindung auf die Ansprüche und die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung näher beschrieben werden.
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Es versteht sich, dass die dargestellten Merkmale nicht nur innerhalb der jeweils angegebenen Merkmalskombination sondern auch in Alleinstellung erfindungswesentlich sein können.
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In der Zeichnung zeigt
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1 einen Radialschnitt eines erfindungsgemäßen Luftlagers,
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2 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit II in 1,
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3 eine erste Ausführungsform einer als Blattfeder ausgebildeten Anschlagfederung,
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4 eine zweite Ausführungsform der Anschlagfederung,
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5 eine dritte Ausführungsform der Anschlagfederung,
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6 eine weitere Ausführungsform des Luftlagers mit besonders ausgebildeten Bolzen,
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7 eine Abwandlung der Ausführungsform nach 6.
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Gemäß 1 besitzt das Luftlager 1 ein Lagergehäuse 2 mit einer bspw. kreisförmigen Ausnehmung, innerhalb der zumindest drei Lagersegmente 3 angeordnet sind, die gemeinsam eine Welle 4 umfassen und lagern. Zwischen dem Innenumfang der Ausnehmung des Lagergehäuses 2 und der zugewandten Außenseite jedes Lagersegmentes 3 ist eine Anschlagfederung in Form einer Blattfeder 5 angeordnet, die mit ihren Längsenden gegen den Innenumfang der Ausnehmung im Lagergehäuse 2 und mit ihrem Mittelbereich in Richtung der zugewandten Außenseite des jeweiligen Lagersegmentes 3 gespannt ist. Die Lagersegmente 3 werden in Richtung einer zur Zeichnungsebene senkrechten Lagerachse bzw. in Axialrichtung der Zentralachse der Ausnehmung des Lagergehäuses 2 sowie in Umfangsrichtung der Welle 4 durch Bolzen 6 festgehalten, die mit einem Kopfteil 6’ jeweils in eine Ausnehmung an der Außenseite des jeweiligen Lagersegmentes 3 hineinragen und mit einem wurmschraubenartigen Schaft 6’’ in eine entsprechende Gewindebohrung des Lagergehäuses 2 schraubverstellbar eingedreht sind. Der Schaft 6’’ jedes Bolzens 6 durchsetzt mit einem vorzugsweise gewindelosen Abschnitt eine Ausnehmung 7 der Blattfeder 5 (vgl. auch die 3–5), wobei der Rand der Ausnehmung 7 von einer am Übergang zwischen Kopfteil 6’ und Schaft 6’’ des Bolzens ausgebildeten, zur Bolzenachse radialen Ringstufe auf der dem jeweiligen Lagersegment 3 zugewandten Seite der Blattfeder 5 überlappt wird. Dementsprechend kann der maximale Ausfederungshub des bolzennahen Mittelbereiches der Blattfeder 5 in Richtung der Welle 4 durch Schraubeinstellung des Bolzens 6 begrenzt werden.
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Vorzugsweise ist der Ausfederhub der Blattfeder 5 durch Schraubeinstellung des Bolzens 6 derart begrenzt, dass das jeweilige Lagersegment 3 zwischen dem Umfang der Welle 4 und der an der Ringstufe des Bolzens 6 anliegenden Blattfeder 5 ein geringes radiales Spiel aufweist, wenn die Welle 4 eine Lage einnimmt, bei der die Achse der Welle 4 mit der vorgenannten Lagerachse zusammenfällt.
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Gleichzeitig ist der Krümmungsradius der die Welle 4 umfassenden Konkavseite jedes Lagersegmentes 3 etwas größer bemessen als der Radius des Umfanges der Welle 4, wobei die Größendifferenz vorzugsweise etwa dem Maß des vorgenannten Spieles des Lagersegmentes 3 zwischen der Welle und der Blattfeder 5 entspricht. Im Übrigen ist jedes Lagersegment 3 auf dem zugeordneten Bolzen 6 mit Spiel in Umfangsrichtung, Axialrichtung und Radialrichtung der Welle 4 sowie taumelbeweglich gelagert.
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Bei der Rotation der Welle 4 bildet sich zwischen dem Wellenumfang und den Lagersegmenten 3 ein tragender Luftspalt aus, dessen Bildung einerseits durch die unterschiedlichen Radien des Wellenumfanges und der Konkavseite der Lagersegmente 3 und andererseits dadurch begünstigt wird, dass die Lagersegmente zwischen den zugeordneten Blattfedern 5 und dem Wellenumfang ein gewisses Radialspiel haben, wenn die Achse der Welle 4 in die vorgenannte Lagerachse fällt. Außerdem kann die Bildung des tragenden Luftspaltes dadurch begünstigt werden, dass das entgegen der Rotationsrichtung R weisende Ende jedes Lagersegmentes 3, bezogen auf die das Kopfteil 6’ des Bolzens 6 aufnehmende Ausnehmung am jeweiligen Lagersegment 3 in Umfangsrichtung der Welle länger ist als das in Rotationsrichtung R weisende andere Ende.
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Der beim Betrieb ausgebildete Luftspalt besitzt regelmäßig an dem entgegen der Rotationsrichtung R weisenden Ende eines Lagersegmentes 3 eine etwas größere Breite als am anderen Ende des Lagersegmentes 3. Im Übrigen kann das jeweilige Lagersegment 3 aufgrund der spielbehafteten Lagerung auf dem jeweiligen Bolzen 6 in Achs- und Umfangsrichtung der Welle 4 eine für die jeweilige Betriebsbedingungen optimale Lage einnehmen.
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Hier sei hervorgehoben, dass beim Betrieb zwischen der Blattfeder 5 und dem jeweiligen Lagersegment eine Zwei-Linien-Berührung an zur Achse der Welle 4 parallelen Linien dicht neben dem jeweiligen Bolzen 6 auftritt, das heißt die Blattfeder 5 besitzt eine entsprechend ausgebildete Wölbung bzw. wird durch den jeweiligen Bolzen 6 entsprechend gewölbt. An sich wurde bisher jeweils eine Ein-Linien-Berührung zwischen Blattfeder und Lagersegment als erstrebenswert angesehen, jedoch hat sich überraschenderweise die Zwei-Linien-Berührung als vorteilhaft herausgestellt. Dies könnte darauf beruhen, dass durch äußere Störkräfte bewirkte Lageänderungen der Lagersegmente 3 durch die mit einer Zwei-Linien-Berührung verbundene Reibung wirksam gedämpft werden, ohne dass die Lagersegmente daran gehindert werden, unter Ausnutzung ihres Spieles auf den Bolzen 6 ihre für die Luftlagerung der Welle 4 optimale Position einzunehmen.
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Für die Beweglichkeit der Lagersegmente an den Bolzen 6 ist unter anderem vorteilhaft, dass die Kopfteile 6’ der Bolzen 6 nur eine geringe axiale Länge aufweisen und dementsprechend vergleichsweise wenig in die zugeordnete Ausnehmung des jeweiligen Lagersegmentes 3 hineinragen. Da der Durchmesser des Kopfteiles 6’ vorzugsweise etwas geringer ist als der Innendurchmesser der das jeweilige Kopfteil 6’ aufnehmenden Ausnehmung am jeweiligen Lagersegment 3, haben die Lagersegmente die oben bereits genannte Beweglichkeit, derart, dass sie dynamischen Fluktuationen der Luft im Luftspalt zwischen dem Umfang der Welle und den Lagersegmenten 3 folgen können. Die dabei auftretenden Taumelbewegungen werden ebenso wie die in Achsrichtung der Bolzen 6 auftretenden Hubbewegungen der Lagersegmente 3 und in Achsrichtung der Welle 4 auftretende Bewegungen durch die jeweilige Blattfeder 5 gedämpft. Die Blattfeder 5 gewährleistet also einerseits die wünschenswerte Beweglichkeit des zugeordneten Lagersegmentes 3 und andererseits die Dämpfung dieser Bewegungen.
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Gemäß den 3 bis 5 können die Blattfedern 5 jeweils mehrere Lamellen 5’ bis 5’’’ aufweisen. Dabei ist vorzugsweise vorgesehen, dass die Lamellen 5’ bis 5’’’ im demontierten Zustand des Luftlagers 1 im Wesentlichen plan sind und erst beim Zusammenbau des Luftlagers in ihre bogenförmig gewölbte Form gespannt werden. Dementsprechend stützen sich die Längsenden der jeweiligen Blattfeder am Innenumfang der Ausnehmung des Lagergehäuses 1 ab, während der bolzennahe Mittelbereich der Blattfeder 5 gegen die zugewandte Außenseite der Lagersegmente 3 bzw. die zugewandte Ringstufe am Übergang zwischen Kopfteil 6’ und Schaft 6’’ der Bolzen 6 gespannt wird. Bei Federungshüben führen die Längsenden der Blattfedern geringe Verschiebebewegungen am Innenumfang der Ausnehmung des Lagergehäuses 2 aus, außerdem verschieben sich die Lamellen 5 bis 5’’’ relativ zueinander geringfügig, so dass die damit verbundene Reibung dämpfend wirkt. Durch die Anzahl der Lamellen sowie deren Länge kann die Dämpfungswirkung beeinflusst werden. Im Übrigen wird die Dämpfungswirkung auch durch die Bogenform der Blattfedern beeinflusst, da die jeweilige Bogenform die Lage der Berührungszonen zwischen der Blattfeder 5 und dem zugeordneten Lagersegment 3 bestimmt.
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Gemäß den 3 bis 5 kann die vom Schaft 6’’ des jeweiligen Bolzens 6 durchsetzte Ausnehmung 7 unterschiedliche Formen haben. Gemäß 3 kann die Ausnehmung 7 eine kreisförmige Öffnung bilden, wobei das Maß des Durchmessers der Öffnung die Lage der Berührungszonen zwischen Blattfeder und Kopf des jeweiligen Bolzens 6 bestimmt.
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Gemäß 4 kann die Ausnehmung 7 in Richtung eines Längsrandes der Blattfeder 5 offen ausgebildet sein.
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Gemäß 5 ist auch eine in Längsrichtung der jeweiligen Blattfeder 5 offene Ausbildung möglich.
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Bei den Ausführungen gemäß den 4 und 5 kann die Ausnehmung 7 vorzugsweise ein schlüssellochähnliches Profil besitzen, derart, dass der Schaft 6’’ des Bolzens 6 mit der Ausnehmung 7 formschlüssig zusammenwirkt und die Position der Blattfeder 5 relativ zum jeweiligen Bolzen 6 formschlüssig gesichert wird.
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Durch die Form der Ausnehmung 7 wird auch die Verteilung der Federkräfte der Blattfeder 5 beeinflusst. So sind die Federkräfte an den Längsrändern der Blattfeder im Beispiel der 4 unterschiedlich, das heißt an dem der offenen Seite der Ausnehmung 7 zugeordneten Längsrand der Blattfeder bestehen andere Federkräfte als am gegenüberliegenden Längsrand.
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Im Beispiel der 5 sind die zungenförmigen Enden der Blattfeder 5 beidseitig der Öffnung der Ausnehmung 7 vergleichsweise weich gegenüber den in 5 hinteren Blattfederbereichen.
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Bei der Erfindung ist vorteilhaft, dass eine einfache Justage der Ausgangslagen der Lagersegmente 3 ermöglicht wird. Die Bolzen 6 können bei Herstellung des Luftlagers mehr oder weniger weit in die zugeordneten Gewindebohrungen des Gehäuses 1 eingedreht werden, so dass die bolzennahen Bereiche der Blattfeder 5 und damit das zugeordnete Lagersegment 3 eine mehr oder weniger weit an die Welle 4 angenäherte Endlage einnehmen können.
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Bei den in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsformen wird die entgegengesetzte Endlage der Blattfeder 5 sowie des jeweiligen Lagersegmentes 3 erreicht, wenn die Blattfeder 5 flächig an den Innenumfang der Ausnehmung des Gehäuses 1 angedrückt wird.
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Gegebenenfalls ist es gemäß den 6 und 7 auch möglich, auf der dem jeweiligen Lagersegment 3 zugewandten Stirnseite der Bolzen 6 einen vorzugsweise balligen Anschlag 60 vorzusehen, welcher den möglichen Weg des jeweiligen Lagersegmentes 3 nach radial auswärts begrenzt, bevor das Lagersegment 3 die zugeordnete Blattfeder 5 flächig gegen die Ausnehmung des Gehäuses 1 andrücken kann. Gemäß 6 kann dieser Anschlag 60 fest am Bolzen 6 angeformt sein.
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Stattdessen ist es gemäß 7 auch möglich, in einer Gewindebohrung des Bolzens 6 eine schraubverstellbare Wurmschraube 61 anzuordnen, die an ihrem dem Lagersegment 3 zugewandten Ende den balligen Anschlag 60 bildet und prinzipiell eine beliebige Einstellung dieses Anschlages 60 ermöglicht.
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Bei allen dargestellten Ausführungsformen können die Bolzen 3 bzw. die Wurmschrauben 61 von außerhalb des Gehäuses 1 mit entsprechenden Werkzeugen schraubverstellt werden. Grundsätzlich ist es jedoch auch möglich und vorteilhaft, die Bolzen 3 in gehäuseseitigen Sackbohrungen anzuordnen und die Bolzen 3 bzw. die darin angeordneten Wurmschrauben 61 mit speziell angepassten Werkzeugen, die in die Ausnehmung des Gehäuses 1 eingebracht werden, einzustellen.
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Die Sicherung der jeweils eingestellten Lage kann durch Verklebung der jeweils zusammenwirkenden Außen- und Innengewinde miteinander fixiert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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