DE102015211319B4

DE102015211319B4 - Fluiddynamisches Lager

Info

Publication number: DE102015211319B4
Application number: DE102015211319.1A
Authority: DE
Inventors: Stefan Neudert
Original assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Current assignee: Technische Universitaet Ilmenau
Priority date: 2015-06-19
Filing date: 2015-06-19
Publication date: 2019-08-08
Anticipated expiration: 2035-06-20
Also published as: DE102015211319A1

Abstract

Fluiddynamisches Lager (1) zur Lagerung einer Welle (2), umfassend ein Lagergehäuse (3), in welchem ein zylinderförmiges Halteelement (4) angeordnet ist, welches eine Mehrzahl über seinen Umfang verteilter Durchführungsöffnungen (5) aufweist, in welchen jeweils ein separates Folienelement (6) derart angeordnet ist, dass ein Bereich (6.1) des jeweiligen Folienelementes (6) an einer Außenseite des Halteelements (4) und ein weiterer Bereich (6.2) des jeweiligen Folienelements (6) an einer Innenseite des Halteelements (4) angeordnet ist, wobei die beiden Bereiche (6.1, 6.2) des jeweiligen Folienelements (6) sich, ausgehend von der Durchführungsöffnung (5), in welcher das jeweilige Folienelement (6) angeordnet ist, zumindest abschnittsweise in entgegengesetzte Richtungen erstrecken und wobei die separaten Folienelemente (6) am Halteelement (4) jeweils kraftschlüssig und/oder formschlüssig gehalten sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein fluiddynamisches Lager nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in der US 4 451 163 A beschrieben, ein hydrodynamisches Gleitlager bekannt, welches einen röhrenförmigen Lagerträger aufweist, an welchem eine Mehrzahl von Folien befestigt sind und welcher zwischen zwei relativ zueinander rotierbaren Lagerteilen angeordnet ist. Der Lagerträger weist über seinen Umfang hinweg mindestens eine Reihe von Schlitzen auf, welche durch stangenförmige Bereiche voneinander getrennt sind. An jedem dieser stangenförmigen Bereiche ist eine haarnadelförmig gebogene Folie derart formschlüssig eingehängt, dass ein Oberfolienteil der haarnadelförmig gebogenen Folie dem inneren Lagerteil und ein Unterfolienteil der haarnadelförmig gebogenen Folie dem äußeren Lagerteil zugewandt ist.
In der US 9 194 422 B2 wird ein Folienlager beschrieben. Das Folienlager umfasst ein zylindrisches Außenelement, eine in das Außenelement eingesetzte Welle und eine Mehrzahl von als Folienblätter ausgebildeten Folienelementen zwischen dem Außenelement und der Welle, welche an in Umfangsrichtung verteilten Positionen angeordnet sind. Ein vorderer Bereich des jeweiligen Folienblatts weist eine Lagerfläche auf und ein hinterer Bereich des jeweiligen Folienblatts dient einer rückseitigen Stützung des vorderen Bereichs eines jeweils benachbarten Folienblatts. Die Folienelemente sind an einem gemeinsamen bandförmigen Halteelement ausgebildet, so dass eine einteilige Folienelementanordnung aus den Folienelementen und dem bandförmigen Halteelement ausgebildet ist. Diese Folienelementanordnung ist zwischen dem zylindrischen Außenelement und der Welle spiralförmig angeordnet.
Aus der US 4 208 076 A ist ein hydrodynamisches Lager zur Lagerung eines rotierenden Rotors an einer feststehenden Halterung bekannt. Das Lager umfasst ein Lagerblech, welches durch ein nachgiebiges Stützelement abgestützt ist, das aus zwei Blechen mit nachgiebigen gewölbten Erhöhungen ausgebildet ist. Die beiden Bleche sind derart ausgerichtet, dass eine jeweilige gewölbte Erhöhung des einen Blechs mit einer jeweiligen Erhöhung des anderen Blechs eine Rohrfeder bildet. Zwischen den beiden Blechen ist ein weiteres Blech angeordnet. Die drei Bleche des Stützelementes und das Lagerblech sind an einem Ende an einem Paar von Abstandsblöcken befestigt.
In der DE 27 23 169 A1 wird ein Folienlager beschrieben. Das Folienlager umfasst einen ersten und einen zweiten Körper, die relativ zueinander beweglich sind, und einen Lagerkörper, der zwischen dem ersten und dem zweiten Körper angeordnet ist und mehrere sich überlappende, elastische Folien aufweist. Eine Lagereinrichtung für jede Folie ist zwischen den Enden der Folie angebracht und berührt einen der ersten und zweiten Körper, der ihr benachbart ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes fluiddynamisches Lager anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein fluiddynamisches Lager mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßes fluiddynamisches Lager zur Lagerung einer Welle umfasst ein Lagergehäuse, in welchem ein zylinderförmiges Halteelement angeordnet ist. Das Halteelement weist eine Mehrzahl über seinen Umfang verteilter Durchführungsöffnungen auf, in welchen jeweils ein Folienelement derart angeordnet ist, dass ein Bereich des jeweiligen Folienelementes an einer Außenseite des Halteelements und ein weiterer Bereich des jeweiligen Folienelements an einer Innenseite des Halteelements angeordnet ist. Die beiden Bereiche des jeweiligen Folienelements erstrecken sich, ausgehend von der Durchführungsöffnung, in welcher das jeweilige Folienelement angeordnet ist, zumindest abschnittsweise im Wesentlichen in entgegengesetzte Richtungen. Somit erstreckt sich der an der Außenseite des Halteelements angeordnete Bereich des jeweiligen Folienelements zumindest abschnittsweise im Wesentlichen entgegen der Rotationsrichtung der Welle und der an der Innenseite des Halteelements angeordnete weitere Bereich des jeweiligen Folienelements erstreckt sich zumindest abschnittsweise im Wesentlichen in Rotationsrichtung der Welle oder umgekehrt.
Die Durchführungsöffnungen sind zweckmäßigerweise jeweils schlitzförmig ausgebildet, wobei ein Öffnungsquerschnitt der jeweiligen Durchführungsöffnung zweckmäßigerweise korrespondierend zu einem Folienelementquerschnitt des in der jeweiligen Durchführungsöffnung angeordneten Folienelements ausgebildet ist. Des Weiteren sind die Durchgangsöffnungen zweckmäßigerweise jeweils im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse oder Rotationssymmetrieachse des Halteelements ausgerichtet. Die Folienelemente werden aufgrund ihrer dünnen Ausbildung auch als Blätter oder, insbesondere bei einer Ausbildung aus Metall, auch als Bleche bezeichnet. Das zylinderförmige oder rohrförmige Halteelement, auch als Haltering bezeichnet, ist zweckmäßigerweise aus Metall ausgebildet.
Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lager wird aufgrund der Folienelemente auch als Folienlager oder fluiddynamisches, insbesondere gasdynamisches, zweckmäßigerweise aerodynamisches, Gleitlager in Folienbauweise bezeichnet. Es ist eine Ausführungsform eines hydrodynamischen Gleitlagers, wobei als Schmiermittel keine Flüssigkeit, beispielsweise in Form von Öl, sondern ein Gas genutzt wird, zweckmäßigerweise Luft. Das fluiddynamische Lager ist somit als ein gasdynamisches Lager ausgebildet, zweckmäßigerweise als ein aerodynamisches Lager, d. h. es handelt sich um eine Ausführungsform eines Gaslagers, zweckmäßigerweise eines Luftlagers. Das jeweils verwendete Gas ist beispielsweise abhängig von einer jeweiligen Umgebung, in welcher das fluiddynamische Lager eingesetzt wird, denn anders als bei aerostatischen Lagern ist keine Pressluftzufuhr erforderlich, sondern es baut sich zumindest ein Gaskeil aus dem jeweils verwendeten Gas durch die Rotationsbewegung im Lager hydrodynamisch auf, genauer gesagt gasdynamisch, bei der Verwendung von Luft aerodynamisch.
Bei der bevorzugten Verwendung von Luft als Schmiermittelt wird das erfindungsgemäße fluiddynamische Lager daher auch als aerodynamisches Lager bezeichnet, wie bereits erwähnt. Üblicherweise werden derartige Lager in einer normalen Umgebung, d. h. in Umgebungsluft, eingesetzt, so dass Luft als Schmiermittel im Lager dient. Bei anderen Umgebungsbedingungen, zum Beispiel bei einem Einsatz in einem Raum, welcher mit einem von Luft abweichenden Gas oder Gasgemisch gefüllt ist, ist entsprechend auch das Schmiermittel im Lager von Luft abweichend ausgebildet, da das erfindungsgemäße Lager üblicherweise nicht gegenüber der äußeren Umgebung gasdicht abgedichtet ist, sondern das jeweilige gasförmige Umgebungsmedium als Schmiermedium nutzt. Bei dem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lager handelt es sich somit um ein gasdynamisches Lager, zweckmäßigerweise um ein aerodynamisches Lager, genauer gesagt um ein gasdynamisches, zweckmäßigerweise aerodynamisches, Gleitlager. Aufgrund seiner Ausbildung mit den Folienelementen handelt es sich um ein Folienlager.
Dieses erfindungsgemäße fluiddynamische Lager ist insbesondere zur radialen Lagerung und Abstützung einer schnelllaufenden Welle, beispielsweise einer Rotorwelle eines schnelllaufenden Rotors, verwendbar. Beispielsweise ist es in einer Turbomaschine verwendbar, welche insbesondere als ein Abgasturbolader ausgebildet ist oder beispielsweise als ein Kompressor ausgebildet ist, d. h. als ein beispielsweise von einem Verbrennungsmotor, welchem Ladeluft zugeführt werden soll, angetriebener Verdichter. Bei einer Verwendung des erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers in einem Abgasturbolader weist der Abgasturbolader beispielsweise zur Lagerung einer Abgasturbine und/oder zur Lagerung eines Verdichters jeweils mindestens ein solches erfindungsgemäßes fluiddynamisches Lager auf. Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lager ist jedoch nicht auf die Verwendung in einem Kompressor oder Abgasturbolader beschränkt, sondern es ist auch für andere Verwendungszwecke geeignet.
Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lager weist eine niedrige Verlustleistung auf, besitzt schwingungsdämpfende Eigenschaften, unterdrückt den Effekt des Halbfrequenzwirbels, kann eine große Anzahl an Start-Stopp-Zyklen durchlaufen, weist eine temperaturunabhängige Steifigkeit und Dämpfung auf, benötigt keine Ölschmierung und aufgrund der Ausbildung als gasdynamisches, zweckmäßigerweise aerodynamisches, Lager keine bei aerostatischen Lagern erforderliche Druckluftversorgung und ist einfach und kostengünstig zu fertigen und zu montieren.
Somit weist das erfindungsgemäße fluiddynamische Lager, welches als gasdynamisches Lager, insbesondere als aerodynamisches Lager, ausgebildet ist, erhebliche Vorteile gegenüber ölgeschmierten hydrodynamischen Gleitlagern, Wälzlagern und aktiven Magnetlagern auf. Ölgeschmierte hydrodynamische Gleitlager weisen eine relativ große Verlustleistung und eine temperaturabhängige Steifigkeit und Dämpfung auf und es besteht die Gefahr einer Schmierstoffemission. Wälzlager ermöglichen keine effektive Dämpfung. Aktive Magnetlager erfordern eine komplexe Steuerung und Regelung, sind mit hohen Kosten verbunden und es ist zwingend ein Fanglager erforderlich. Diese Nachteile werden mittels des erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers vermieden.
Das erfindungsgemäße fluiddynamische Lager, welches eine integrierte Dämpfungsfunktion aufweist, ist ein Radialgleitlager und dient der radialen Abstützung einer Welle, d. h. der Abstützung quer zur Längsachse der Welle, wobei eine möglichst reibungsarme Drehung der Welle um deren Längsachse ermöglicht wird. Bei Stillstand der Welle liegt die Welle auf den Folienelementen auf, welche gemeinsam eine die Welle umschließende Lagerschale bilden. Rotiert die Welle mit kleinen Drehzahlen, tritt zwischen der Welle und den Folienelementen Festkörperreibung auf. Ab einer bestimmten Drehzahl der Welle entsteht in mindestens einem Schmierkeil des erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers eine hydrodynamische Kraft, d. h. eine radiale Lagerkraft, die ein Abheben der Welle von den Folienelementen ermöglicht. Es entsteht somit ein Kräftegleichgewicht der hydrodynamischen Kraft im Schmierkeil zu einer auf die Welle einwirkenden äußeren Kraft. Diese äußere Kraft entspricht üblicherweise der Schwerkraft. Der Schmierkeil ist bei dem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lager, wie bereits beschrieben, mit Gas, zweckmäßigerweise mit Luft, als Schmiermittel gefüllt und befindet sich zwischen der Welle und den Folienelementen.
Die Drehzahl, bei der das Abheben der Welle stattfindet, ist abhängig von der Geometrie der Welle, von der Geometrie der Folienelemente und von der Schmierkeilgeometrie sowie von der Anzahl der Schmierkeile, von der äußeren Kraft und von einer Vorspannkraft der Folienelemente. Ab dem Zeitpunkt des Abhebens rotiert die Welle ohne Festkörperkontakt zu den Folienelementen. Sie wird also von der hydrodynamischen Kraft im durch die Luft gebildeten Schmierfilm getragen.
Während des Hochlaufens der Welle auf eine Nenndrehzahl werden verschiedene Schwingungen angeregt, zum Beispiel aufgrund einer Unwucht. Diese Schwingungen können bei aus dem Stand der Technik bekannten hydrodynamischen Gleitlagern dazu führen, dass die hydrodynamische Kraft im Schmierkeil kleiner ist als eine Kraft, welche durch die Schwingungen der Welle verursacht wird. Das Kräftegleichgewicht geht dann verloren und die Welle kann die Lagerschale berühren. Die daraus folgende Festkörperreibung bei hohen Relativgeschwindigkeiten zwischen den Reibpartnern Welle und Lagerschale hat einen erhöhten Verschleiß an der Welle und/oder an der Lagerschale zur Folge.
Um diese Erscheinung zu vermeiden, wird bei der erfindungsgemäßen Lösung die Lagerschale elastisch und/oder mit Hilfe von Dämpfungselementen im Lagergehäuse angeordnet. Dies erfolgt bei der erfindungsgemäßen Lösung mittels der Folienelemente, welche zusammen mit dem zylinderförmigen oder rohrförmigen Halteelement, auch als Haltering bezeichnet, die Lagerschale bilden und welche sich vorteilhafterweise elastisch am Lagergehäuse abstützen und/oder elastisch die Welle abstützen und somit schwingungsdämpfend wirken.
Des Weiteren wird mittels des erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lagers auch die Entstehung selbsterregender Schwingungen, insbesondere des sogenannten Halbfrequenzwirbels, verhindert. Dieses Problem des Halbfrequenzwirbels wird beispielsweise beschrieben in Axel Rossmann: „Probleme der Maschinenelemente erkennen, verhüten und lösen“, Band 2A: Versagensformen, typische Schadensbilder, Mechanismen, Ursachen von: Schrauben, Niete, Federn, Lager, Zahnräder, Getriebe, Achsen, Wellen, Kupplungen, Bremsen, Ketten, Riemen, Seile; Turbo Consult, Karlsfeld; Seite 6.3.2-1 bis 6.3.2-5. Die Vermeidung dieses Halbfrequenzwirbels erfolgt bei dem erfindungsgemäßen fluiddynamischen Lager mittels der erhöhten Anzahl von Schmierkeilen und der elastischen sowie dämpfenden Befestigung der durch die Folienelemente und das zylinderförmige Halteelement gebildeten Lagerschale.
Erfindungsgemäß sind die Folienelemente am Halteelement jeweils kraftschlüssig und/oder formschlüssig gehalten. Die kraftschlüssige Halterung erfolgt zweckmäßigerweise durch Verklemmen des jeweiligen Folienelements in der jeweiligen schlitzförmigen Durchführungsöffnung des zylinderförmigen Halteelements. Alternativ zur formschlüssigen und/oder kraftschlüssigen Halterung aller Folienelemente des fluiddynamischen Lagers können beispielsweise auch lediglich ein oder mehrere der Folienelemente kraftschlüssig und/oder formschlüssig gehalten sein. Beispielsweise können auch ein oder mehrere Folienelemente des fluiddynamischen Lagers kraftschlüssig und ein oder mehrere andere Folienelemente des fluiddynamischen Lagers formschlüssig gehalten sein.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die Folienelemente jeweils zwischen den beiden Bereichen eine Halterungsausformung zur formschlüssigen Halterung am Halteelement auf, wobei ein Übergangsbereich der Halterungsausformung, welcher einen Übergang zwischen den beiden Bereichen des jeweiligen Folienelements bildet, in der jeweiligen Durchführungsöffnung des Halteelements angeordnet ist. Die Halterungsausformung ist vorzugsweise im Wesentlichen stufenförmig und/oder absatzförmig ausgebildet. Diese vorzugsweise stufenförmige und/oder absatzförmige Halterungsausformung, welche zweckmäßigerweise durch eine entsprechende Biegung des jeweiligen Folienelementes ausgebildet ist, ermöglicht somit ein Einhängen des jeweiligen Folienelementes in das Halteelement und eine formschlüssige Verankerung daran. Alternativ zur Ausbildung dieser Halterungsausformung an allen Folienelementen des fluiddynamischen Lagers können beispielsweise auch lediglich ein oder mehrere der Folienelemente des fluiddynamischen Lagers diese Halterungsausformung aufweisen.
Bevorzugt ist zumindest einer der beiden Bereiche des jeweiligen Folienelements gebogen ausgebildet. Durch eine gebogene Ausbildung des an der Innenseite des Halteelements angeordneten weiteren Bereichs des jeweiligen Folienelements, wobei dieser weitere Bereich zweckmäßigerweise parallel zur Längsachse der Welle gebogen ist, so dass eine Vorkrümmung dieses weiteren Bereichs des jeweiligen Folienelementes ausgebildet ist, wird eine Vorspannung auf die Welle erreicht. Auch hier müssen nicht alle Folienelemente des fluiddynamischen Lagers gebogen ausgebildet sein, sondern es können beispielsweise lediglich ein oder mehrere Folienelemente gebogen sein und/oder die Folienelemente können jeweils unterschiedlich gebogen sein.
Vorzugsweise weist der an der Innenseite des Halteelements angeordnete weitere Bereich des jeweiligen Folienelements eine Schmierkeilförderausformung auf. Diese Schmierkeilförderausformung ist beispielsweise als eine stufenförmige Biegung ausgebildet. Durch diese Schmierkeilförderausformung wird ein Hohlraum zwischen der Welle und dem Folienelement und/oder zwischen der Welle und einem zu dem Folienelement benachbarten Folienelement ausgebildet, wodurch während des Drehzahlaufbaus der Welle der Aufbau des Schmierkeils und dadurch das Aufheben der Festkörperreibung verbessert sind. Alternativ zur Ausbildung dieser Schmierkeilförderausformung an allen Folienelementen des fluiddynamischen Lagers können beispielsweise auch lediglich ein oder mehrere der Folienelemente des fluiddynamischen Lagers diese Schmierkeilförderausformung aufweisen.
Vorteilhafterweise sind die Folienelemente, d. h. ein, mehrere oder alle Folienelemente des fluiddynamischen Lagers, jeweils als ein Federelement und/oder Dämpferelement ausgebildet. Sie werden daher auch jeweils als Feder-Dämpfer-Element bezeichnet. Insbesondere der an der Außenseite des Halteelements angeordnete Bereich des jeweiligen Folienelementes ist zweckmäßigerweise als ein Dämpferelement ausgebildet und wird daher auch als Dämpfungsfolienteil bezeichnet. Durch eine gebogene Ausbildung dieses an der Außenseite des Halteelements angeordneten Bereichs des jeweiligen Folienelements, wobei dieser Bereich zweckmäßigerweise parallel zur Längsachse der Welle gebogen ist, werden dessen Dämpfungseigenschaften optimiert. Der an der Innenseite des Halteelements angeordnete weitere Bereich des jeweiligen Folienelementes wird auch als Lagerfolienteil bezeichnet, weil die Welle an diesem weiteren Bereich anliegt, solange Festkörperreibung vorliegt, so dass dieser weitere Bereich des jeweiligen Folienelements als Teil der Lagerschale fungiert.
Zweckmäßigerweise ist der an der Außenseite des Halteelements angeordnete Bereich des jeweiligen Folienelementes, d. h. der Bereich, welcher zwischen dem Lagergehäuse und dem als Haltering ausgebildeten zylindrischen Halteelement angeordnet ist, derart geformt, dass er die Kräfte, welche quer zur Längsachse der Welle wirken, aufnehmen kann und dass Schwingungen der Welle wirkungsvoll durch die auftretende Reibung zwischen Lagergehäuse und dem jeweiligen Folienelement gedämpft werden. Des Weiteren ist die Geometrie der Folienelemente so gewählt, dass die Gesamtsteifigkeit der Folienelemente zwischen der Welle und dem als Haltering ausgebildeten zylindrischen Halteelement wesentlich größer ist als die Gesamtsteifigkeit der Folienelemente zwischen dem als Haltering ausgebildeten zylindrischen Halteelement und dem Lagergehäuse. Dadurch können Auslenkungen der Welle beim Auftreten von drehzahlbedingten Schwingungen oder bei Krafteinwirkung von außen nicht zur Festkörperreibung zwischen der rotierenden Welle und den Folienelementen führen.
Vorzugsweise weisen/weist das Halteelement und/oder die Folienelemente und/oder die Welle zumindest abschnittsweise eine Verschleißschutzschicht auf. Alternativ oder zusätzlich sind das Halteelement und/oder die Folienelemente und/oder die Welle zumindest abschnittsweise aus einem verschleißarmen Material ausgebildet. Dadurch wird der Verschleiß an diesen jeweiligen Komponenten bei Festkörperreibung minimiert. Beispiele für Materialien zur Verwendung für derartige als Verschleißschutzschicht dienende Beschichtungen sowie Beispiele für den Aufbau und die Ausbildung solcher Verschleißschutzschichten werden beispielsweise in der DE 10 2011 115 249 A1 und in der EP 1 789 601 B1 beschrieben, deren diesbezüglicher Inhalt hiermit durch Referenz aufgenommen wird. Auch hier gilt, dass diese Verschleißschutzschicht und/oder das zumindest abschnittsweise Ausbilden aus dem verschleißarmen Material für alle Folienelemente des fluiddynamischen Lagers oder nur für eines oder mehrere der Folienelemente vorgesehen sein können.
Die Folienelemente sind beispielsweise jeweils aus Metall, zum Beispiel jeweils als Metallblech, d. h. insbesondere aus einem dünnen, vorzugsweise folienartigen, Metallblech, und/oder aus zumindest einem selbstschmierenden Werkstoff ausgebildet. Bei der Ausbildung aus Metall wird zweckmäßigerweise ein verschleißarmes Material gewählt, um den Verschleiß zu minimieren. Bei der Ausbildung aus dem selbstschmierenden Werkstoff wird die Festkörperreibung reduziert, wodurch ebenfalls der Verschleiß beider Reibungspartner, d. h. sowohl der Folienelemente als auch der Welle, reduziert wird. Alternativ zur derartigen Ausbildung aller Folienelemente des fluiddynamischen Lagers können auch nur ein oder mehrere Folienelemente derart ausgebildet sein. Beispielsweise können ein oder mehrere Folienelemente des fluiddynamischen Lagers aus Metall und ein oder mehrere andere Folienelemente des fluiddynamischen Lagers aus zumindest einem selbstschmierenden Werkstoff ausgebildet sein, welche dann beispielsweise über den Umfang des Halteelements abwechselnd angeordnet sind.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind der an der Innenseite des Halteelements angeordnete weitere Bereich des jeweiligen Folienelements und der an der Innenseite des Halteelements angeordnete weitere Bereich eines jeweils benachbarten Folienelements sich gegenseitig zumindest abschnittsweise überlappend angeordnet. Dadurch wird durch die Folienelemente eine vollumfänglich geschlossene Lagerschale für die Welle ausgebildet. Zudem kann dadurch die Ausbildung des Schmierkeils oder der Schmierkeile verbessert werden. Weisen die Folienelemente jeweils eine Schmierkeilförderausformung auf, so ist diese zweckmäßigerweise an einem Bereich eines jeweiligen Folienelementes angeordnet, an dem das benachbarte Folienelement endet. Auch hier können beispielsweise nur einige der Folienelemente des fluiddynamischen Lagers sich gegenseitig überlappend ausgebildet sein, vorteilhafterweise jedoch alle.
Vorteilhafterweise weisen die Folienelemente jeweils zumindest eine Öffnung auf, beispielsweise in Form einer Bohrung oder eines Schlitzes. Es können auch mehrere dieser Öffnungen pro Folienelement vorgesehen sein. Diese Öffnungen dienen der Kühlung des fluiddynamischen Lagers. Alternativ zur Ausbildung dieser Öffnung oder Öffnungen in allen Folienelementen des fluiddynamischen Lagers können beispielsweise auch lediglich ein oder mehrere der Folienelemente des fluiddynamischen Lagers jeweils eine oder mehrere Öffnungen aufweisen. Des Weiteren können die Folienelemente jeweils eine unterschiedliche Anzahl und/oder eine unterschiedliche Ausformung der Öffnungen aufweisen. Auf diese Weise kann eine optimierte Kühlung realisiert werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Darin zeigen:

1 schematisch eine perspektivische teiltransparente Darstellung eines fluiddynamischen Lagers,
2 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Halteelements,
3 schematisch eine perspektivische Darstellung eines Folienelements,
4 schematisch eine Querschnittdarstellung einer Ausführungsform eines fluiddynamischen Lagers,
5 schematisch eine Ausschnittvergrößerung von 4,
6 schematisch eine Querschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines fluiddynamischen Lagers,
7 schematisch eine Ausschnittvergrößerung von 6,
8 schematisch eine Querschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines fluiddynamischen Lagers,
9 schematisch eine Ausschnittvergrößerung von 8,
10 schematisch eine Querschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines fluiddynamischen Lagers,
11 schematisch eine Ausschnittvergrößerung von 10,
12 schematisch eine Querschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines fluiddynamischen Lagers,
13 schematisch eine Ausschnittvergrößerung von 12,
14 schematisch eine Querschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines fluiddynamischen Lagers,
15 schematisch eine Ausschnittvergrößerung von 14,
16 schematisch eine Querschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines fluiddynamischen Lagers,
17 schematisch eine Ausschnittvergrößerung von 16,
18 schematisch eine Querschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines fluiddynamischen Lagers,
19 schematisch eine Ausschnittvergrößerung von 18,
20 schematisch eine Querschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines fluiddynamischen Lagers,
21 schematisch eine Ausschnittvergrößerung von 20,
22 schematisch eine Querschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines fluiddynamischen Lagers,
23 schematisch eine Ausschnittvergrößerung von 22,
24 schematisch eine Querschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform eines fluiddynamischen Lagers,
25 schematisch eine Ausschnittvergrößerung von 24.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt schematisch eine perspektivische teiltransparente Darstellung eines auch als Folienlager bezeichneten fluiddynamischen Lagers 1 zur Lagerung einer in den 4 bis 25 dargestellten Welle 2. Das fluiddynamische Lager 1 umfasst ein zylinderförmig und/oder rohrförmig ausgebildetes Lagergehäuse 3, in welchem ein zylinderförmiges und/oder rohrförmiges Halteelement 4 angeordnet ist, auch als Haltering bezeichnet.
Das in 2 näher dargestellte Halteelement 4, welches zweckmäßigerweise aus Metall ausgebildet ist, weist eine Mehrzahl über seinen Umfang verteilter schlitzförmiger Durchführungsöffnungen 5 auf, in welchen jeweils ein als Feder-Dämpfer-Element ausgebildetes und in 3 näher dargestelltes Folienelement 6 derart angeordnet ist, dass ein Bereich 6.1 des jeweiligen Folienelementes 6, welcher im Folgenden als äußerer Bereich 6.1 bezeichnet wird, an einer Außenseite des Halteelements 4 angeordnet ist und ein weiterer Bereich 6.2 des jeweiligen Folienelements 6, welcher im Folgenden als innerer Bereich 6.2 bezeichnet wird, an einer Innenseite des Halteelements 4 angeordnet ist. Der an der Außenseite des Halteelements 4 angeordnete äußere Bereich 6.1 wird auch als Dämpfungsfolienteil bezeichnet. Der an der Innenseite des Halteelements 4 angeordnete innere Bereich 6.2 wird auch als Lagerfolienteil bezeichnet. Das fluiddynamische Lager 1 wird daher auch als Folienlager mit integrierter Dämpfungsfunktion oder als Federlager bezeichnet. Es können beispielsweise zwischen zwei und 36 Folienelemente 6 vorgesehen sein, beispielsweise abhängig von einem jeweiligen Durchmesser des Lagers 1. Es sind jedoch auch mehr als 36 Folienelemente 6 möglich.
Das Lagergehäuse 3 zusammen mit dem Halteelement 4 und den Folienelementen 6 bildet somit den üblicherweise feststehenden einen Lagerpartner und die darin angeordnete Welle 2 den üblicherweise im Lager 1 rotierbar oder rotierend gelagerten anderen Lagerpartner. In anderen Ausführungsformen kann es auch möglich sein, dass die Welle 2 feststehend ist und das Lagergehäuse 3 zusammen mit dem Halteelement 4 und den Folienelementen 6 um die feststehende Welle 2 rotierbar ist oder rotiert.
Die schlitzförmigen Durchgangsöffnungen 5 sind zweckmäßigerweise jeweils im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse oder Rotationssymmetrieachse des Halteelements 4 ausgerichtet, wie in 2 gezeigt. Ein Öffnungsquerschnitt der jeweiligen Durchführungsöffnung 5 ist zweckmäßigerweise korrespondierend zu einem Folienelementquerschnitt des in der jeweiligen Durchführungsöffnung 5 angeordneten Folienelements 6 ausgebildet. Die Folienelemente 6 werden aufgrund ihrer dünnen Ausbildung auch als Blätter oder, insbesondere bei einer Ausbildung aus Metall, auch als Bleche bezeichnet. Sie weisen vorzugsweise elastische Eigenschaften auf. Sie können bei einer Ausbildung aus Metall beispielsweise aus nichtrostendem Stahl, Bronze oder Aluminium oder aus einem anderen Metall ausgebildet sein. Auch eine Ausbildung aus einem selbstschmierenden Werkstoff ist möglich. Es können beispielsweise auch abwechselnd Folienelemente 6 aus Metall und aus einem selbstschmierenden Werkstoff am Halteelement 4 angeordnet sein.
In den dargestellten Beispielen weist das Halteelement 4 nur eine Reihe von schlitzförmigen Durchführungsöffnungen 5 auf. In anderen Ausführungsbeispielen kann das Halteelement 4 jedoch beispielsweise auch eine Mehrzahl von Reihen schlitzförmiger Durchführungsöffnungen 5 aufweisen, wobei die schlitzförmigen Durchführungsöffnungen 5 jeder Reihe über den Umfang des Halteelements 4 verteilt sind und die Reihen der schlitzförmigen Durchführungsöffnungen 5 nebeneinander, d. h. in axialer Richtung des Halteelements 4 hintereinander, angeordnet sind.
Die Folienelemente 6 sind derart ausgebildet und an dem Halteelement 4 angeordnet, dass die beiden Bereiche 6.1, 6.2 des jeweiligen Folienelements 6 sich, ausgehend von der Durchführungsöffnung 5, in welcher das jeweilige Folienelement 6 angeordnet ist, zumindest abschnittsweise im Wesentlichen in entgegengesetzte Richtungen erstrecken. Somit erstreckt sich der an der Außenseite des Halteelements 4 angeordnete äußere Bereich 6.1 des jeweiligen Folienelements 6, welcher auch als Dämpfungsfolienteil bezeichnet wird, zumindest abschnittsweise im Wesentlichen entgegen der Rotationsrichtung der Welle 2 und der an der Innenseite des Halteelements 4 angeordnete innere Bereich 6.2 des jeweiligen Folienelements 6, welcher auch als Lagerfolienteil bezeichnet wird, erstreckt sich zumindest abschnittsweise im Wesentlichen in Rotationsrichtung der Welle 2 oder umgekehrt.
Das fluiddynamische Lager 1, welches aufgrund der Folienelemente 6 auch als Folienlager oder fluiddynamisches Gleitlager in Folienbauweise, genauer gesagt als gasdynamisches, zweckmäßigerweise aerodynamisches, Gleitlager in Folienbauweise bezeichnet wird, ist eine Ausführungsform eines Gaslagers, zweckmäßigerweise eines Luftlagers, und somit auch eine Ausführungsform eines hydrodynamischen Gleitlagers. Es ist insbesondere zur radialen Lagerung und Abstützung einer schnelllaufenden Welle 2, beispielsweise einer Rotorwelle eines schnelllaufenden Rotors, verwendbar, beispielsweise ist es in einer Turbomaschine verwendbar, welche insbesondere als ein Abgasturbolader ausgebildet ist. Das fluiddynamische Lager 1 ist ein Radialgleitlager und dient der radialen Abstützung der Welle 2, d. h. der Abstützung quer zur Längsachse der Welle 2, wobei eine möglichst reibungsarme Drehung der Welle 2 um deren Längsachse ermöglicht wird.
Bei Stillstand der Welle 2 liegt die Welle 2 auf den Folienelementen 6 auf, welche gemeinsam eine die Welle 2 umschließende Lagerschale bilden. Rotiert die Welle 2 mit kleinen Drehzahlen, tritt zwischen der Welle 2 und den Folienelementen 6 Festkörperreibung auf. Ab einer bestimmten Drehzahl der Welle 2 entsteht in mindestens einem Schmierkeil 7 des fluiddynamischen Lagers 1 eine hydrodynamische Kraft, d. h. eine radiale Lagerkraft, die ein Abheben der Welle 2 von den Folienelementen 6 ermöglicht. Es entsteht somit ein Kräftegleichgewicht der hydrodynamischen Kraft im Schmierkeil 7 zu einer auf die Welle 2 einwirkenden äußeren Kraft. Diese äußere Kraft entspricht üblicherweise der Schwerkraft. Der Schmierkeil 7 ist bei dem fluiddynamischen Lager 1, welches als ein gasdynamisches Lager 1, zweckmäßigerweise als ein aerodynamisches Lager 1, ausgebildet ist, zweckmäßigerweise mit Luft als Schmiermittel gefüllt und befindet sich zwischen der Welle 2 und den Folienelementen 6, wie beispielsweise in den Ausschnittvergrößerungen gemäß den 5, 7, 9, 13, 19 und 21 gezeigt.
Bei einem Einsatz des Lagers 1 in Umgebungsluft wird zweckmäßigerweise Luft als Schmiermittel verwendet, da das Lager 1 zweckmäßigerweise gegenüber der Umgebung nicht abgedichtet ist, so dass stets das jeweilige gasförmige Umgebungsmedium als Schmiermittel verwendet wird. Entsprechend wird bei einem Einsatz des Lagers 1 in einem anderen gasförmigen Medium dieses andere gasförmige Medium als Schmiermittel verwendet, so dass das Lager 1 dann als ein entsprechendes gasdynamisches Lager 1 ausgebildet ist.
Die Drehzahl, bei der das Abheben der Welle 2 stattfindet, ist abhängig von der Geometrie der Welle 2, von der Geometrie der Folienelemente 6 und von der Schmierkeilgeometrie sowie von der Anzahl der Schmierkeile 7, von der äußeren Kraft und von einer Vorspannkraft der Folienelemente 6. Ab dem Zeitpunkt des Abhebens rotiert die Welle 2 ohne Festkörperkontakt zu den Folienelementen 6. Sie wird also von der hydrodynamischen Kraft im durch die Luft gebildeten Schmierfilm getragen.
Während des Hochlaufens der Welle 2 auf eine Nenndrehzahl werden verschiedene Schwingungen angeregt, zum Beispiel aufgrund einer Unwucht. Um diese Schwingungen auszugleichen und den Eintritt der Festkörperreibung und einen damit verbundenen Verschleiß aufgrund dieser Schwingungen zu vermeiden, ist die durch die Folienelemente 6 und das Halteelement 4 gebildete Lagerschale elastisch und gedämpft im Lagergehäuse 3 angeordnet. Dies erfolgt durch die Ausbildung und Anordnung der Folienelemente 6, welche sich vorteilhafterweise elastisch am Lagergehäuse 3 abstützen und/oder elastisch die Welle 2 abstützen und somit schwingungsdämpfend wirken.
Die 4 bis 25 zeigen elf verschiedene beispielhafte Ausführungsformen dieses fluiddynamischen Lagers 1 jeweils in einer Querschnittdarstellung und in einer Ausschnittvergrößerung der jeweiligen Querschnittdarstellung.
Zweckmäßigerweise sind die Folienelemente 6 am Halteelement 4 jeweils kraftschlüssig und/oder formschlüssig gehalten. Die kraftschlüssige Halterung erfolgt zweckmäßigerweise durch Verklemmen des jeweiligen Folienelements 6 in der jeweiligen schlitzförmigen Durchführungsöffnung 5 des zylinderförmigen Halteelements 4, wie beispielsweise bei der Ausführungsform gemäß den 6 und 7 dargestellt.
In anderen Ausführungsformen weisen die Folienelemente 6 jeweils zwischen den beiden Bereichen 6.1, 6.2 eine insbesondere stufenförmige und/oder absatzförmige Halterungsausformung 8 zur formschlüssigen Halterung am Halteelement 4 auf, wobei ein Übergangsbereich der insbesondere stufenförmigen und/oder absatzförmigen Halterungsausformung 8, welcher einen Übergang zwischen den beiden Bereichen 6.1, 6.2 des jeweiligen Folienelements 6 bildet, in der jeweiligen Durchführungsöffnung 5 des Halteelements 4 angeordnet ist. Diese stufenförmige und/oder absatzförmige Halterungsausformung 8, welche zweckmäßigerweise durch eine entsprechende Biegung des jeweiligen Folienelementes 6 ausgebildet ist, ermöglicht somit ein Einhängen des jeweiligen Folienelementes 6 in das Halteelement 4 und eine formschlüssige Verankerung daran.
Die stufenförmige und/oder absatzförmige Halterungsausformung 8 ist an dem Folienelement 6 gemäß 3 dargestellt. Ausführungsbeispiele für eine derartige formschlüssige Befestigung sind beispielsweise in den 4 und 5 sowie 8 bis 25 dargestellt, wobei die 16 und 17 ein Extrembeispiel zeigen, in welchem der Übergangsbereich der stufenförmigen und/oder absatzförmigen Halterungsausformung 8 in eine halbkreisförmige Krümmung des an der Außenseite des Halteelements 4 angeordneten äußeren Bereichs 6.1 des Folienelements 6 übergeht, so dass dies eher eine absatzförmige Halterungsausformung 8 darstellt, bei welcher der abgesetzte Teil nach dem Übergangsbereich nicht flach oder leicht gekrümmt, sondern halbkreisförmig ausgebildet ist.
In allen dargestellten Ausführungsbeispielen stützen sich die als Feder-Dämpfer-Elemente wirkenden Folienelemente 6, welche vorzugsweise jeweils aus dünnem Blech ausgebildet sind, im Lagergehäuse 3 ab und positionieren die Welle 2 im Lager 1. Sie werden mittels des als Haltering ausgebildeten Halteelementes 4 und der Anordnung in dessen schlitzförmigen Durchführungsöffnungen 5 in Position gehalten. Die Geometrie der schlitzförmigen Durchführungsöffnungen 5 ist zweckmäßigerweise derart gewählt, dass sich die Folienelemente 6, wie bereits oben beschrieben, im eingebauten Zustand darin verklemmen, so dass sie kraftschlüssig gehalten sind, oder die Folienelemente 6 sind derart gebogen, dass durch diese Biegung die Halterungsausformung 8 ausgebildet ist, durch welche die Folienelemente 6 formschlüssig am Halteelement 4 gehalten sind und dadurch ihre Position in Bezug auf das als Haltering ausgebildete Halteelement 4 beibehalten.
Die inneren Bereiche 6.2 der Folienelemente 6, welche an der Innenseite des Halteelements 4 angeordnet sind und sich somit zwischen dem Halteelement 4 und der Welle 2 befinden, können sich teilweise überlappen, wie beispielsweise in den Ausführungsbeispielen gemäß den 4 und 5, 10 und 11, 14 bis 17 sowie 22 bis 25 gezeigt. Im Gegensatz dazu überlappen sich die inneren Bereiche 6.2 der Folienelemente 6 in den Ausführungsbeispielen gemäß den 6 bis 9, 12 und 13 sowie 18 bis 21 nicht. Das Ausmaß dieser Überlappung oder ob sich die Folienelemente 6 überlappen, d. h. insbesondere die Länge des an der Innenseite des Halteelements 4 angeordneten inneren Bereichs 6.2 der Folienelemente 6, kann bei verschiedenen Ausführungsbeispielen unterschiedlich groß sein, wie in den 4 bis 25 gezeigt. Auch die Länge des an der Außenseite des Halteelements 4 angeordneten äußeren Bereichs 6.1 der Folienelemente 6 und die Gesamtlänge der Folienelemente 6 zwischen der Stirnseite des an der Außenseite des Halteelements 4 angeordneten äußeren Bereichs 6.1 und der Stirnseite des an der Innenseite des Halteelements 4 angeordneten inneren Bereichs 6.2 können bei verschiedenen Ausführungsformen unterschiedlich sein.
Die Folienelemente 6, insbesondere die inneren Bereiche 6.2 der Folienelemente 6, welche an der Innenseite des Halteelements 4 angeordnet sind, sind vorzugsweise derart vorgebogen, dass sie sich im montierten Zustand an eine zylindermantelförmige Außenfläche der Welle 2 anschmiegen. D. h. diese inneren Bereiche 6.2 der Folienelemente 6, auch als Lagerfolienteil bezeichnet, da an diesen inneren Bereichen 6.2 die gelagerte Welle 2 anliegt, können gebogen ausgebildet sein und somit eine Vorkrümmung aufweisen, wobei eine Biegungsachse, um welche die Biegung zur Erzeugung der Vorkrümmung erfolgt ist, parallel zur Längsachse des Lagers 1 und somit parallel zur Längsachse der Welle 2 ausgerichtet ist. Durch diese Vorkrümmung, welche, ausgehend vom in der schlitzförmigen Durchführungsöffnung 5 angeordneten Bereich des jeweiligen Folienelements 6 zum stirnseitigen Randbereich des inneren Bereichs 6.2 des jeweiligen Folienelements 6 vom Halteelement 4 weggerichtet und somit in Richtung der Welle 2 gerichtet ist, wird somit durch die Folienelemente 6 vorteilhafterweise eine Vorspannung auf die Welle 2 erreicht.
Weiterhin kann der Teil der Folienelemente 6, welcher sich zwischen Halteelement 4 und Welle 2 befindet, d. h. der innere Bereich 6.2 des jeweiligen Folienelements 6, welcher an der Innenseite des Halteelements 4 und somit zwischen Halteelement 4 und Welle 2 angeordnet ist, eine derartige Formgebung aufweisen, dass die Geometrie des Schmierkeils 7 zwischen der Welle 2 und jedem der Folienelemente 6 optimiert ist. Diese Formgebung wird im Folgenden als Schmierkeilförderausformung 9 bezeichnet. Die jeweilige Schmierkeilförderausformung 9 ist zweckmäßigerweise im Bereich zweier sich überlappender Folienelemente 6 angeordnet, wie beispielsweise in den 4 und 5, 14 bis 17 sowie 24 und 25 gezeigt.
Durch die Schmierkeilförderausformung 9 und/oder durch eine freie Randkante der Stirnseite des inneren Bereichs 6.2 eines jeweils überlappenden oder nicht überlappenden Folienelements 6 wird ein Keilraum begrenzt, in dem sich eine stützende Strömungsmittelschicht, auch als Schmierkeil 7 bezeichnet, ausbildet, die die Welle 2 an einer Berührung der Folienelemente 6 hindert. Aus der Ausbildung dieser Schmierkeilförderausformung 9 und/oder der stirnseitigen Randkante des inneren Bereichs 6.2 des jeweiligen Folienelements 6 resultiert die Geometrie des Schmierkeils 7, d. h. die Geometrie des Schmierkeils 7 zwischen der Welle 2 und jedem der Folienelemente 6 ist frei wählbar, durch eine entsprechende Auswahl der Ausformung der Schmierkeilförderausformung 9 und/oder durch eine jeweilige Ausformung der freien Randkante der Stirnseite des inneren Bereichs 6.2 des jeweiligen Folienelements 6. Die Randkante der Stirnseite kann beispielsweise senkrecht zu Seitenkanten des Folienelements 6 oder schräg zu den Seitenkanten ausgerichtet oder spitz zulaufend sein. D. h. die Stirnseite des inneren Bereichs 6.2 des jeweiligen Folienelements 6 kann beispielsweise gerade, schräg, spitz, trapezförmig oder in anderen Geometrien ausgebildet sein. Die Welle 2 kann je nach Ausbildung des Schmierkeils 7 im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn rotieren.
Zweckmäßigerweise ist der an der Außenseite des Halteelements 4 angeordnete äußere Bereich 6.1 des jeweiligen Folienelementes 6, d. h. der Bereich 6.1, welcher zwischen dem Lagergehäuse 3 und dem als Haltering ausgebildeten zylindrischen Halteelement 4 angeordnet ist, derart geformt, dass er die Kräfte, welche quer zur Längsachse der Welle 2 wirken, aufnehmen kann und dass Schwingungen der Welle 2 wirkungsvoll durch die auftretende Reibung zwischen Lagergehäuse 3 und dem jeweiligen Folienelement 6 gedämpft werden. Des Weiteren ist die Geometrie der Folienelemente 6 so gewählt, dass die Gesamtsteifigkeit der Folienelemente 6 zwischen der Welle 2 und dem als Haltering ausgebildeten zylindrischen Halteelement 4 wesentlich größer ist als die Gesamtsteifigkeit der Folienelemente 6 zwischen dem als Haltering ausgebildeten zylindrischen Halteelement 4 und dem Lagergehäuse 3. Dadurch können Auslenkungen der Welle 2 beim Auftreten von drehzahlbedingten Schwingungen oder bei Krafteinwirkung von außen nicht zur Festkörperreibung zwischen der rotierenden Welle 2 und den Folienelementen 6 führen.
Der an der Außenseite des Halteelements 4 und somit zwischen Halteelement 4 und Lagergehäuse 3 angeordnete äußere Bereich 6.1 des jeweiligen Folienelementes 6 kann beispielsweise ohne eine Vorkrümmung ausgebildet sein, zum Beispiel glatt und eben, wie in den 6 und 7 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel ergibt sich die in diesen Figuren erkennbare Krümmung dieses äußeren Bereichs 6.1 der Folienelemente 6 erst durch das Anordnen des Halteelements 4 mit den Folienelementen 6 im Lagergehäuse 3. In anderen Ausführungsbeispielen kann dieser äußere Bereich 6.1 der Folienelemente 6 derart gekrümmt ausgebildet sein, dass sich ein tangentialer Übergang zur Innenwand des Lagergehäuses 3 ergibt. Bei diesen Ausführungsbeispielen erfolgt eine Abstützung der Folienelemente 6 und dadurch der durch die Folienelemente 6 und das Halteelement 4 ausgebildeten Lagerschale nur an der Innenwand des Lagergehäuses 3, wie beispielsweise in den 12 und 13 gezeigt.
In weiteren Ausführungsformen kann dieser äußere Bereich 6.1 des jeweiligen Folienelements 6 teilkreisförmig, beispielsweise halbkreisförmig, vorgebogen ausgebildet sein, so dass die Stirnseite dieses äußeren Bereichs 6.1 des Folienelements 6 am Halteelement 4 anliegt und/oder am durch die Durchführungsöffnung 5 hindurchtretenden Bereich des benachbarten Folienelements 6 anliegt und sich auf diese Weise am Halteelement 4 und/oder am benachbarten Folienelement 6 abstützt, wie in den 8 bis 11 gezeigt.
In den 18 und 19 ist eine ähnliche Variante gezeigt, in welcher dieser äußere Bereich 6.1 der Folienelemente 6 nicht ganz so stark gekrümmt ist, jedoch auch teilkreisförmig vorgebogen ist, wobei eine Länge dieses äußeren Bereichs 6.1 derart vorgegeben ist, dass diese äußeren Bereiche 6.1 der Folienelemente 6 jeweils den äußeren Bereich 6.1 eines jeweils benachbarten Folienelements 6 überlappen, so dass sie sich mit ihrer stirnseitigen Kante dieses äußeren Bereichs 6.1 an dem äußeren Bereich 6.1 des jeweils benachbarten Folienelements 6 abstützen. Alternativ kann dieser äußere Bereich 6.1 der Folienelemente 6 derart kreisförmig vorgebogen und derart lang ausgebildet sein, dass sie zwar den äußeren Bereich 6.1 des jeweils benachbarten Folienelements 6 überlappen, die stirnseitige Kante des äußeren Bereichs 6.1 des jeweiligen Folienelements 6 jedoch nicht den äußeren Bereich 6.1 des jeweils benachbarten Folienelements 6 berührt, sondern von diesem beabstandet ist, wie in den 24 und 25 gezeigt.
In einer weiteren Ausführungsform ist dieser äußere Bereich 6.1 der Folienelemente 6 haarnadelförmig vorgebogen ausgebildet, wie in den 14 und 15 gezeigt, d. h. hier ist ein Abschnitt dieses äußeren Bereichs 6.1 am Halteelement 4 angeordnet und ein weiterer Abschnitt, welcher die stirnseitige Kante dieses äußeren Bereichs 6.1 umfasst, ist im Wesentlichen in entgegengesetzte Richtung umgebogen, so dass er zwischen dem ersten Abschnitt und dem Lagergehäuse 3 angeordnet ist. Dadurch wird eine zusätzliche Federungs- und Dämpfungswirkung erreicht.
In einer weiteren Ausführungsform ist dieser äußere Bereich 6.1 der Folienelemente 6 buckelförmig ausgebildet, insbesondere mehrfach buckelförmig, wie in den 16 und 17 gezeigt. Dabei weist dieser äußere Bereich 6.1 des jeweiligen Folienelementes 6 mehrere halbkreisförmig gebogene Ausformungen auf, welche ausgehend von der Durchführungsöffnung 5 des Halteelements 4 zur stirnseitigen Kante dieses äußeren Bereichs 6.1 hintereinander angeordnet sind und durch im Wesentlichen gerade Abschnitte voneinander getrennt sind. Dadurch stützt sich dieser äußere Bereich 6.1 des jeweiligen Folienelements 6 mit den mehreren im Wesentlichen geraden Abschnitten mehrfach am Halteelement 4 ab und mit den mehreren buckelförmigen Krümmungen mehrfach am Lagergehäuse 3 ab, so dass eine gleichmäßig verteilte Abstützung und Federung/Dämpfung erreicht ist, wobei durch ein Folienelement 6 durch diese mehreren buckelförmigen Ausformungen mehrere Federungs-/Dämpfungselemente realisiert sind, so dass eine besonders dichte Verteilung der Federungs-/Dämpfungselemente über den Umfang des Lagergehäuses 3 und des Halteelements 4 hinweg erreicht ist.
Durch diese Ausbildungsvarianten dieses als Dämpfungsfolienteil bezeichneten äußeren Bereichs 6.1 der Folienelemente 6 können die Dämpfungseigenschaften optimiert und an jeweilige Erfordernisse entsprechend einem jeweiligen Einsatzzweck des fluiddynamischen Lagers 1 optimal angepasst werden.
Eine geometrische Form der Folienelemente 6, beispielsweise deren Dicke, Breite und/oder Länge, sind beispielsweise abhängig von Lagerkräften, für welche das jeweilige fluiddynamische Lager 1 vorgesehen ist, von der Anzahl der Folienelemente 6, vom Material der Folienelemente 6 und/oder von einem Wellendurchmesser der Welle 2 des jeweiligen fluiddynamischen Lagers 1.
Die Abmessungen des Halteelements 4, beispielsweise dessen Breite, Durchmesser und/oder Blechdicke, richten sich beispielsweise nach der erforderlichen Größe des jeweiligen fluiddynamischen Lagers 1, nach dem Durchmesser der jeweiligen Welle 2 und/oder nach der Geometrie der Folienelemente 6. Die Geometrie der schlitzförmigen Durchführungsöffnungen 5 ergibt sich insbesondere aus der Dicke und Breite der darin anzuordnenden Folienelemente 6.
Die Folienelemente 6 können eine Oberflächenbeschichtung als Verschleißschutzschicht aufweisen, um die Reibung zwischen der Welle 2 und den Folienelementen 6 und den Verschleiß der Welle 2 und der Folienelemente 6 zu minimieren. Dementsprechend wird ein geeignetes Material für diese Oberflächenbeschichtung gewählt. Die Oberflächenbeschichtung, d. h. diese Verschleißschutzschicht, ist dann zumindest abschnittsweise zumindest auf dem inneren Bereich 6.2 des jeweiligen Folienelements 6 angeordnet, welcher mit der Welle 2 in Berührung kommt, d. h. insbesondere auf einer der Welle 2 zugewandten Oberfläche des an der Innenseite des Halteelements 4 und somit zwischen dem Halteelement 4 und der Welle 2 angeordneten inneren Bereichs 6.2 des jeweiligen Folienelements 6. Überlappen sich diese inneren Bereiche 6.2 benachbarter Folienelemente 6, so ist diese als Verschleißschutzschicht ausgebildete Oberflächenbeschichtung beispielsweise nur in dem Abschnitt des inneren Bereichs 6.2 des jeweiligen Folienelements 6 erforderlich, welcher nicht durch das benachbarte Folienelement 6 bedeckt ist und somit in direkte Berührung mit der Welle 2 kommt.
Die Folienelemente 6 können jeweils eine oder mehrere Öffnungen zum Beispiel in Form von Bohrungen oder Schlitzen aufweisen. Diese Öffnungen dienen der Kühlung des fluiddynamischen Lagers 1.
Die beschriebenen Ausgestaltungen der Folienelemente 6 können jeweils ein oder mehrere oder alle Folienelemente 6 des jeweiligen fluiddynamischen Lagers 1 betreffen, d. h. es können alle Folienelemente 6 des jeweiligen fluiddynamischen Lagers 1 gleich ausgebildet sein oder das fluiddynamische Lager 1 kann unterschiedlich ausgebildete Folienelemente 6 aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Lager
2: Welle
3: Lagergehäuse
4: Halteelement
5: Durchführungsöffnung
6: Folienelement
6.1, 6.2: Bereich
7: Schmierkeil
8: Halterungsausformung
9: Schmierkeilförderausformung

Claims

Fluiddynamisches Lager (1) zur Lagerung einer Welle (2), umfassend ein Lagergehäuse (3), in welchem ein zylinderförmiges Halteelement (4) angeordnet ist, welches eine Mehrzahl über seinen Umfang verteilter Durchführungsöffnungen (5) aufweist, in welchen jeweils ein separates Folienelement (6) derart angeordnet ist, dass ein Bereich (6.1) des jeweiligen Folienelementes (6) an einer Außenseite des Halteelements (4) und ein weiterer Bereich (6.2) des jeweiligen Folienelements (6) an einer Innenseite des Halteelements (4) angeordnet ist, wobei die beiden Bereiche (6.1, 6.2) des jeweiligen Folienelements (6) sich, ausgehend von der Durchführungsöffnung (5), in welcher das jeweilige Folienelement (6) angeordnet ist, zumindest abschnittsweise in entgegengesetzte Richtungen erstrecken und wobei die separaten Folienelemente (6) am Halteelement (4) jeweils kraftschlüssig und/oder formschlüssig gehalten sind.
Fluiddynamisches Lager (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienelemente (6) jeweils zwischen den beiden Bereichen (6.1, 6.2) eine Halterungsausformung (8) zur formschlüssigen Halterung am Halteelement (4) aufweisen, wobei ein Übergangsbereich der Halterungsausformung (8), welcher einen Übergang zwischen den beiden Bereichen (6.1, 6.2) des jeweiligen Folienelements (6) bildet, in der jeweiligen Durchführungsöffnung (5) des Halteelements (4) angeordnet ist.
Fluiddynamisches Lager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der beiden Bereiche (6.1, 6.2) des jeweiligen Folienelements (6) gebogen ausgebildet ist.
Fluiddynamisches Lager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der an der Innenseite des Halteelements (4) angeordnete weitere Bereich (6.2) des jeweiligen Folienelements (6) eine Schmierkeilförderausformung (9) aufweist.
Fluiddynamisches Lager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienelemente (6) jeweils als ein Federelement und/oder Dämpferelement ausgebildet sind.
Fluiddynamisches Lager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Halteelement (4) und/oder die Folienelemente (6) und/oder die Welle (2) zumindest abschnittsweise eine Verschleißschutzschicht aufweisen/aufweist.
Fluiddynamisches Lager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienelemente (6) jeweils aus Metall und/oder aus zumindest einem selbstschmierenden Werkstoff ausgebildet sind.
Fluiddynamisches Lager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der an der Innenseite des Halteelements (4) angeordnete weitere Bereich (6.2) des jeweiligen Folienelements (6) und der an der Innenseite des Halteelements (4) angeordnete weitere Bereich (6.2) eines jeweils benachbarten Folienelements (6) sich gegenseitig zumindest abschnittsweise überlappend angeordnet sind.
Fluiddynamisches Lager (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienelemente (6) jeweils zumindest eine Öffnung aufweisen.