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Die Erfindung betrifft ein Axial-Folienlager mit einer Oberfolie, die einer Gegenfläche zugewandt ist.
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Stand der Technik
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Aus dem amerikanischen Patent
US 6,702,463 B1 ist ein nachgiebiges Folien-Fluid-Schublager mit einem Plattenelement bekannt, das ein aerodynamisches Flächenglied mit einem äußeren Ring und einer ringförmigen aerodynamischen Fläche aufweist, die mehrere Segmente mit einem Außendurchmesser und einem Innendurchmesser aufweist, die innerhalb des äußeren Rings durch mehrere nach vorne geneigte Bahnen gestützt sind, wobei die Segmente steil geneigte Nuten oder Stufen aufweisen, die als auseinanderlaufende Keilkanäle und allmählich zusammenlaufende ringförmige Keilkanäle fungieren, die flache Stege und Rampen aufweisen. Aus der deutschen Patentschrift
DE 26 35 416 C3 ist ein Axiallager mit zwei in gegenseitiger Beziehung zueinander drehbaren Oberflächen bekannt, welches Lager zwei Rillenmuster enthält, die bei relativer Bewegung der Oberflächen entgegengesetzte Drücke erzeugen in einem Mittel, das in einem im Betrieb zwischen den beiden Oberflächen auftretenden Spalt vorhanden ist, wobei die Geometrie der Rillenmuster derart gewählt ist, dass bei nur einer bestimmten Drehrichtung das eine Muster eine positive, von der Spalthöhe stark abhängige Tragkraft und eine hohe Steifheit liefert und das andere Muster, dessen Rillen tiefer sind als die des erstgenannten Musters, eine nur wenig spaltabhängige negative Tragkraft und eine geringe Steifheit liefert, dies und jenes derart, dass bei einer bestimmten Spalthöhe die Summe der beiden Tragkräfte Null ist und das Lager eine hohe positive Steifheit aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Axial-Folienlager mit einer Oberfolie, die einer Gegenfläche zugewandt ist, insbesondere funktionell und/oder herstellungstechnisch, zu verbessern.
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Die Aufgabe ist bei einem Axial-Folienlager mit einer Oberfolie, die einer Gegenfläche zugewandt ist, durch eine Spiralrillenstruktur gelöst. In dem beanspruchten Axial-Folienlager wird vorteilhaft eine an sich bekannte Spiralrillenstruktur in einem Axial-Folienlager verwendet, um einerseits eine hohe spezifische Tragkraft zu realisieren, und andererseits größere Toleranzen zu ermöglichen. Herkömmliche Folienlager haben eine eher geringere spezifische Tragkraft, liefern aber dafür den Vorteil, relativ toleranzunempfindlich zu sein, da die vorzugsweise flexiblen Folien Schiefstände ausgleichen können. Darüber hinaus ist die Oberfolie von herkömmlichen Folienlagern in der Regel mit einer Gleitschicht versehen, um einen verschleißfreien Betrieb beim Starten und Stoppen sicherzustellen. Durch die Spiralrillenstruktur können mit dem beanspruchten Axial-Folienlager längere Standzeiten ermöglicht werden. Die Oberfolie ist zum Beispiel an einem Gehäusekörper befestigt und mit einer tragenden Ringfläche ausgestattet, die der Gegenfläche zugewandt ist. Im Betrieb des Axial-Folienlagers bildet sich zwischen der tragenden Ringfläche der Oberfolie und der Gegenfläche ein tragender Fluidfilm aus. Die Spiralrillenstruktur liefert unter anderem den Vorteil, dass ein Prägevorgang zur Darstellung der starren Kanten bei der Herstellung der Oberfolie vollständig entfallen kann. Die beanspruchte Oberfolie kann so oder so ähnlich wie herkömmliche Oberfolien hergestellt werden, zum Beispiel durch herkömmliche EDM-Verfahren oder durch chemisches Ätzen. Das Axial-Folienlager wird auch als aerodynamisches Gleitlager bezeichnet. Zur Schmierung des aerodynamischen Gleitlagers wird ein gasförmiges Fluid, insbesondere Luft, verwendet. Daher wird das Axial-Folienlager oder aerodynamische Gleitlager auch als Luftlager bezeichnet. Das Axial-Folienlager umfasst vorteilhaft mehr als eine Folie. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das Axial-Folienlager mindestens eine Oberfolie und mindestens eine Unterfolie, die zwischen der Oberfolie und einem Gehäusekörper angeordnet ist. Die Oberfolie wird auch als Top-Foil bezeichnet. Die Unterfolie wird auch als Beam- oder Bump-Foil bezeichnet.
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Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralrillenstruktur in der Oberfolie vorgesehen ist. Dadurch wird auf einfache Art und Weise ein funktionsoptimiertes Axial-Folienlager mit einer höheren spezifischen Tragkraft bei gleichzeitiger Toleranzunempfindlichkeit geschaffen. Durch die Spiralrillenstruktur kann eine versteifende Prägung in der Oberfolie, wie sie bei herkömmlichen Axial-Folienlagern angewendet wird, entfallen. Dadurch kann vorteilhaft eine bessere Anpassung an verschiedene Betriebszustände des Axial-Folienlagers erreicht werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfolie mindestens einen Last tragenden Bereich umfasst, in welchem die Spiralrillenstruktur angeordnet ist. Die Spiralrillenstruktur umfasst vorteilhaft Spiralrillen, die so oder so ähnlich wie bei bekannten Axiallagern ausgeführt und angeordnet sind. Die Spiralrillenstruktur kann in der Oberfolie vorteilhaft mit Verfahren erzeugt werden, wie sie bereits zur Herstellung von herkömmlichen Oberfolien verwendet werden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Last tragende Bereich der Oberfolie durch Haltestege mit einem Haltering verbunden ist. Der Haltering dient vorteilhaft dazu, die Oberfolie an einem Gehäusekörper zu befestigen. Zur Befestigung der Oberfolie an dem Gehäusekörper ist der Haltering zum Beispiel mit Durchgangslöchern versehen, die zum Durchführen von Befestigungsmitteln dienen, mit denen die Oberfolie an dem Gehäusekörper befestigt wird. Der Haltering ist vorteilhaft nicht mit Spiralrillen versehen und radial außerhalb des Last tragenden Bereichs angeordnet. Der Haltering ist über die Haltestege vorzugsweise einstückig mit dem tragenden Bereich verbunden. Dadurch wird die Herstellung der Oberfolie weiter vereinfacht.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralrillenstruktur Spiralrillen umfasst, die von einem Innenring der Oberfolie ausgehen. Der Innenring der Oberfolie ist vorteilhaft konzentrisch zu dem Haltering angeordnet. Der Innenring hat vorteilhaft eine ebene Oberfläche. Die Spiralrillen erstrecken sich ausgehend von dem Innenring vorteilhaft bis zu einem Außendurchmesser der tragenden Ringfläche der Oberfolie. Der Außendurchmesser der tragenden Ringfläche ist vorteilhaft kleiner als ein Innendurchmesser des Halterings. Dadurch wird ein ringförmiger Freiraum zwischen der tragenden Ringfläche und dem Haltering geschaffen. Die Haltestege, die den Last tragenden Bereich der Oberfolie mit dem Haltering verbinden, erstrecken sich durch diesen Freiraum.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass der Haltering der Oberfolie an einem Gehäusekörper befestigt ist. Der Haltering hat zum Beispiel die Gestalt eines Kreisrings mit Durchgangslöchern. Die Durchgangslöcher dienen zum Positionieren und/oder zum Befestigen des Halterings an dem Gehäusekörper. Über die Haltestege ist der Haltering vorteilhaft einstückig mit der tragenden Ringfläche der Oberfolie verbunden.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralrillenstruktur in der Gegenfläche vorgesehen ist. Die Spiralrillenstruktur kann sowohl in der Gegenfläche als auch in der Oberfolie vorgesehen sein. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Spiralrillenstruktur nur in der Gegenfläche vorgesehen.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfolie eine flache und/oder ebene Oberfläche aufweist. Die Oberfolie ist besonders vorteilhaft mit einer prägefreien Oberfläche versehen. Die Kombination der Spiralrillenstruktur in der Gegenfläche mit der prägefreien Oberfläche der Oberfolie hat sich im Hinblick auf die gewünschte Steigerung der spezifischen Tragkraft bei gleichzeitiger Toleranzunempfindlichkeit des funktionsoptimierten Axial-Folienlagers als besonders wirksam erwiesen. Durch den Entfall der versteifenden Prägung in der Oberfolie kann im Betrieb des Axial-Folienlagers eine bessere Anpassung an verschiedene Betriebszustände und Schiefstellungen erreicht werden. Darüber hinaus ermöglicht die Spiralrillenstruktur nur in der Gegenfläche eine verbesserte Haltbarkeit des Axial-Folienlagers, da die Tiefe von Spiralrillen der Spiralrillenstruktur vorteilhaft nicht von einem Verschleiß einer Gleitschicht beeinflusst werden, die auf der Oberfolie vorgesehen ist.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralrillenstruktur Spiralrillen umfasst, die radial außen offen sind. Dadurch wird die Ausbildung eines tragenden Fluidfilms zwischen der Oberfolie und der Gegenfläche verbessert.
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Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Axial-Folienlagers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfolie mit einer Unterfolie kombiniert ist, die Federeigenschaften aufweist. Die Unterfolie ist vorteilhaft mit einer Federvorrichtung kombiniert. Die Federvorrichtung ist vorteilhaft in die Unterfolie integriert, zum Beispiel in Form einer Vielzahl von Federlaschen.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus einen Verdichter beziehungsweise Kompressor mit einem vorab beschriebenen Axial-Folienlager. Der Verdichter beziehungsweise Kompressor dient vorzugsweise zur Anwendung in einem Bren nstoffzellensystem.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1 eine Oberfolie eines Axial-Folienlagers mit einer Spiralrillenstruktur;
- 2 ein Axial-Folienlager mit einer Oberfolie, die einer Gegenfläche zugewandt ist, die eine Spiralrillenstruktur aufweist, im Längsschnitt;
- 3 einen Querschnitt durch eine Welle des Axial-Folienlagers aus 2 mit Blick auf die Spiralrillenstruktur in der Gegenfläche; und
- 4 einen Teilschnitt in Umfangsrichtung durch ein Axial-Folienlager mit einer Unterfolie und einer Oberfolie.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 4 ist ein Axial-Folienlager 1 mit einem Gehäuse 2 und einem Rotor 3 in einem in Umfangsrichtung verlaufenden Teilschnitt dargestellt. Durch einen Pfeil 4 ist angedeutet, dass sich der Rotor 3 im Betrieb des Axial-Folienlagers 1 relativ zu dem Gehäuse 2 dreht.
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Das Axial-Folienlager 1 umfasst eine Oberfolie 5 und eine Unterfolie 6. Die Oberfolie 5 wird auch als Top-Folie bezeichnet. Die Unterfolie 6 wird auch als Beam- oder Bump-Folie bezeichnet und ist, wie man in 4 sieht, zwischen dem Gehäuse 2 und der Oberfolie 5 angeordnet.
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Die Oberfolie 5 und eine Gegenfläche 8 des Rotors 3 begrenzen einen sich in 4 von links nach rechts verjüngenden Lagerspalt 7. Durch einen Pfeil 9 ist in 4 ein Fluidfilm angedeutet, der im Betrieb des Axial-Folienlagers 1 in dem Lagerspalt 7 entsteht, wenn sich der Rotor 3 relativ zu dem Gehäuse 2 dreht.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel der Oberfolie 5 aus 4 in der Draufsicht dargestellt. Die Oberfolie 5 umfasst einen Last tragenden Bereich 10 mit einer tragenden Ringfläche 11 und einen Haltering 12. Die tragende Ringfläche 11 wird auch als tragender Flächenring bezeichnet. Der Flächenring 11 umfasst einen Innendurchmesser 14 und einen Außendurchmesser 15. Der Haltering 12 umfasst einen Innendurchmesser 16 und einen Außendurchmesser 17.
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Der Innendurchmesser 16 des Halterings 12 ist größer als der Außendurchmesser 15 des Flächenrings 11. So ergibt sich zwischen dem Flächenring 11 und dem Haltering 12 ein Freiraum 32 in radialer Richtung. Der Flächenring 11 ist konzentrisch zu dem Haltering 12 angeordnet.
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Der Haltering 12 ist mit Durchgangslöchern 19 ausgestattet. Die Durchgangslöcher 19 dienen zum Beispiel dazu, die Oberfolie 5 zu positionieren und/oder zu befestigen. Zum Positionieren der Oberfolie 5 dienen zum Beispiel Stifte oder Vorsprünge, die in einige der Durchgangslöcher 19 eingreifen. Zum Befestigen der Oberfolie 5 dienen zum Beispiel Befestigungsmittel, wie Schrauben, die sich durch einige der Durchgangslöcher 19 hindurch erstrecken.
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Durch Pfeile 20 ist in 1 eine Relativdrehung zwischen der Oberfolie 5 und einem in 1 nicht dargestellten Rotor (3 in 4) angedeutet.
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Die Oberfolie 5 in 1 umfasst den Last tragenden Bereich 10, der zur Darstellung des in 4 mit 9 angedeuteten tragenden Fluidfilms in dem Axial-Folienlager dient. Der Last tragende Bereich 10 umfasst einen Innenring 23 mit dem Innendurchmesser 14. Der Innenring 23 ist von der tragenden Ringfläche 11 umgeben, die den Außendurchmesser 15 aufweist.
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Die tragende Ringfläche 11 der Oberfolie 5 ist mit insgesamt zwölf Spiralrillen 21 ausgestattet, die eine Spiralrillenstruktur 22 darstellen. Die Spiralrillen 21 gehen von dem Innenring 23 aus und sind radial außen offen.
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Die in 1 dargestellte Oberfolie 5 ist besonders vorteilhaft ohne geprägte Stufen in dem Last tragenden Bereich 10 ausgeführt. Die Spiralrillen 21 können vorteilhaft im selben Arbeitsgang und durch dasselbe Verfahren hergestellt werden, wie die restlichen Merkmale der Oberfolie 5. Die Herstellung der Oberfolie 5, wie sie in 1 dargestellt ist, kann zum Beispiel durch chemisches Ätzen oder durch Laserbearbeitung erfolgen.
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In den 2 und 3 ist ein Axial-Folienlager 41 mit einem Gehäusekörper 42 eines Gehäuses 48 und einer Welle 43 in verschiedenen Schnittansichten dargestellt. Die Welle 43 weist einen Bund 44 auf, der zum Beispiel zur Darstellung eines Rotors 45 eines Turboverdichters eines Brennstoffzellensystems dient.
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Der Rotor 45 ist mit einer Spiralrillenstruktur 46 in einer Gegenfläche 51 des Axial-Folienlagers 41 versehen. Die Spiralrillenstruktur 46 umfasst, wie man in 3 sieht, eine Anzahl von Spiralrillen 47. Die Spiralrillenstruktur 46 umfasst zum Beispiel zwölf Spiralrillen 47, die radial außen offen sind.
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Das Axial-Folienlager 41 umfasst darüber hinaus eine Oberfolie 50, die radial außen mit Hilfe von nur angedeuteten Befestigungsmitteln 5j2 an dem Gehäusekörper 42 des Gehäuses 48 befestigt ist. Die Oberfolie 50 weist eine flache, ebene Oberfläche auf, die der Gegenfläche 51 zugewandt ist. Im Betrieb des Axial-Folienlagers 41 bildet sich zwischen der Oberfolie 50 und der Gegenfläche 51 ein tragender Fluidfilm 53 aus.
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Das Axial-Folienlager 41 umfasst darüber hinaus eine Unterfolie 55, die Federeigenschaften aufweist und zwischen der Oberfolie 50 und dem Gehäusekörper 42 des Gehäuses 48 angeordnet ist. Die Unterfolie 55 ist zum Beispiel so oder so ähnlich wie eine herkömmliche Bump-Foil ausgeführt und dient vorteilhaft dazu, Toleranzen beziehungsweise Schiefstände zwischen dem Rotor 45 und dem Gehäuse 48 auszugleichen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6702463 B1 [0002]
- DE 2635416 C3 [0002]
