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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Radial-Folienlager nach den oberbegriffsbildenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, welches insbesondere vorteilhaft zur ölfreien Lagerung gering belasteter, mit hoher Drehzahl laufender Wellen einsetzbar ist, beispielsweise bei Turbokompressoren für Brennstoffzellen in Kraftfahrzeugen und dergleichen.
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Hintergrund der Erfindung
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Folienlager sind hydrodynamische oder aerodynamische Lager, bei denen im unbelasteten Zustand eine die drehend gelagerte Welle abstützende Lagerfläche von einer dünnen und verschleißfesten Deckfolie gebildet wird, welche ihrerseits von einer zwischen der Deckfolie und einem Lagergehäuse angeordneten elastischen Wellfolie abgestützt wird. Im Lagerbetrieb bildet sich zwischen der Welle und der Deckfolie ein hydrodynamischer oder aerodynamischer Film, welcher die Welle trägt. Nur bei Start- und Stoppvorgängen kommt es zu einem direkten Bewegungskontakt zwischen der Welle und der Deckfolie.
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Ein gattungsbildendes Radial-Folienlager zur Lagerung einer Welle ist beispielsweise aus der
DE 10 2015 224 869 A1 bekannt. Dieses Folienlager besteht aus einem hülsenartigen Lagergehäuse mit drei über den Innenumfang des Lagergehäuses gleichmäßig verteilt angeordneten, jeweils einen Abschnitt des Innenumfangs des Lagergehäuses überdeckenden Folienpaketen, die jeweils aus einer am Innenumfang des Lagergehäuses anliegenden elastischen Wellfolie sowie aus einer unterseitig auf der Wellfolie aufliegenden und oberseitig eine Lagerfläche für die Welle bildenden Deckfolie bestehen, wobei am Innenumfang des Lagergehäuses sich parallel zur Lagerrotationsachse erstreckende, schräg von innen nach außen in das Lagergehäuse hineinragende Stecknuten angeordnet sind, die zur Aufnahme der die Deckfolien und die Wellfolien jeweils in Umfangsrichtung begrenzenden und in den Stecknuten tangential frei beweglichen Endkanten dienen.
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Bei aerodynamischen Radial-Folienlagern hat es sich in der Praxis jedoch gezeigt, dass der sich im Lagerbetrieb zwischen der Welle und der Deckfolie bildende aerodynamische Film, welcher die Welle tragen soll, keine gleichmäßige Dicke aufweist. Es wurde festgestellt, dass der durch die Wellenrotation verursachte Luftdruck im Lagerquerschnitt axial mittig am größten ist und dort ausreicht, die elastische Wellfolie derart einzufedern, dass der erforderliche geringfügige Abstand zwischen der Deckfolie und der Welle entstehen kann. Zu den mit dem Umgebungsluftdruck verbundenen beiden Seitenrändern der Deckfolie hin fällt der durch die Wellenrotation verursachte Luftdruck dagegen kontinuierlich ab und reicht dann direkt unterhalb der Seitenränder nicht mehr aus, die mit einer gleichmäßigen radialen Federsteifigkeit ausgebildete Wellfolie einzufedern. Der erforderliche Abstand zwischen der Deckfolie und der Welle kann somit an den Seitenrändern der Deckfolie nicht entstehen, so dass es an diesen Stellen zu sogenannten Kantenläufern kommen kann, bei denen es zu unerwünschten Kontakten zwischen der Deckfolie und der Welle kommt, die ursächlich für Lagerschäden bis hin zum einem Lagerausfall sind.
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Aufgabe der Erfindung
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Ausgehend von den dargelegten Nachteilen der Lösungen des bekannten Standes der Technik liegt der Erfindung deshalb die Aufgabe zu Grunde, ein Radial-Folienlager zu konzipieren, bei dem die aus Kantenläufern resultierenden unerwünschten Kontakte zwischen der Deckfolie und der Welle wirksam vermieden werden und bei dem der sich im Lagerbetrieb zwischen der Welle und der Deckfolie bildende aerodynamische Film eine gleichmäßige Dicke aufweist.
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Beschreibung der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Radial-Folienlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart gelöst, dass die Wellfolien an ihren in Umfangsrichtung verlaufenden Seitenkanten örtlich zumindest eine deren Axialbreite verringernde Taillierung aufweisen, mit der die radiale Federsteifigkeit der Wellfolien im Bereich ihrer Seitenkanten reduzierbar ist..
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Bevorzugte Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäß ausgebildeten Radial-Folienlagers werden in den Unteransprüchen 2 bis 7 beschrieben.
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Danach ist es gemäß Anspruch 2 bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Radial-Folienlager vorgesehen, dass an beiden Seitenkanten der Wellfolien Taillierungen angeordnet sind und beide Taillierungen kreisabschnittförmig sowie symmetrisch zueinander mit gleichen Taillierungstiefen und gleichen Taillierungslängen ausgebildet sind. Eine solche Ausbildung hat sich besonders bei Radial-folienlagern als geeignet erwiesen, bei denen die Radialbelastungen gleichmäßig und Schiefstellungen der zu lagernden Welle weitestgehend ausgeschlossen sind.
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Nach Anspruch 3 ist es eine alternative Ausbildung des erfindungsgemäß ausgebildeten Radial-Folienlagers, dass die Taillierungen an beiden Seitenkanten der Wellfolien zwar ebenfalls kreisabschnittförmig jedoch unsymmetrisch zueinander mit unterschiedlichen Taillierungstiefen und mit gleichen oder ungleichen Taillierungslängen ausgebildet sind. Eine unsymmetrische Ausbildung der Taillierungen mit gleichen Taillierungslängen aber unterschiedlichen Taillierungstiefen hat sich dabei als besonders geeignet für Radial-Folienlager erwiesen, bei denen bei der zu lagernden Welle mit Schiefstellungen zu rechnen ist oder mit denen einer Durchbiegung der zu lagernden Welle entgegengewirkt werden soll.
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Gemäß Anspruch 4 kann es darüber hinaus noch eine weitere alternative Ausbildung des erfindungsgemäß ausgebildeten Radial-Folienlagers sein, dass die Taillierungen an beiden Seitenkanten der Wellfolien in Umfangsrichtung unsymmetrisch ausgebildet sind und gleiche Taillierungstiefen sowie gleiche Taillierungslängen aufweisen. In Umfangsrichtung unsymmetrisch bedeutet dabei, dass die Taillierungen von einer Kreisabschnittsform abweichen und stattdessen eine kurven- oder bogenförmige Kontur aufweisen. Derartige Taillierungen können in Anwendungsfällen vorteilhaft sein, bei denen einer bestimmten Lastrichtung oder Lastposition entgegengewirkt werden soll.
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Als zweckmäßige Weiterbildungen des erfindungsgemäß ausgebildeten Radial-Folienlagers wird es durch die Ansprüche 5 und 6 des Weiteren vorgeschlagen, dass die Taillierungen an beiden Seitenkanten der Wellfolien sich in Umfangsrichtung entweder vom ersten Wellenberg bis zum letzten Wellenberg oder nur vom zweiten Wellenberg bis zum vorletzten Wellenberg jeder Wellfolie erstrecken. Die Auswahl dieser bevorzugten Taillierungslängen ist dabei abhängig vom gewünschten Grad der Reduzierung der axialen Federsteifigkeit der Wellfolien. Bei Radial-Folienlagern mit größeren Innendurchmessern des Lagergehäuses und entsprechend längeren Well- und Deckfolien sind auch Taillierungslängen denkbar, die kleiner als die gennannten Bereiche sind.
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Schließlich ist es gemäß Anspruch 6 noch eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäß ausgebildeten Radial-Folienlagers, dass die Taillierungstiefe so bemessen ist, dass die Breite der Wellfolie zwischen den tiefsten Punkten beider Taillierungen zwischen 0,75% und 0,95% der Axialbreite der Wellfolien an deren Endkanten beträgt. Innerhalb dieses Bereiches ist gewährleistet, dass der Grad der Reduzierung der axialen Federsteifigkeit der Wellfolien im Bereich ihrer Seitenkanten nicht zu hoch und nicht zu niedrig ist. Möglich ist es aber auch, anstelle der Taillierungen sämtliche Wellfolien axial schmaler als die zugehörigen Deckfolien auszubilden, wobei jedoch eine spezielle Fixierung der Wellfolien im Lagergehäuse, beispielsweise durch Verschweißen, notwendig ist.
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Das erfindungsgemäß ausgebildete Radial-Folienlager weist somit gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Radial-Folienlagern den Vorteil auf, dass dessen Wellfolien durch die Ausbildung dieser Wellfolien mit örtlich deren Axialbreite verringernden Taillierungen an ihren Seitenkanten eine reduzierte radiale Federsteifigkeit im Bereich ihrer Seitenkanten aufweisen, so dass der durch die Wellenrotation verursachte Luftdruck auch an den mit dem Umgebungsluftdruck verbundenen beiden Seitenränder der Deckfolie ausreicht, die Wellfolie derart einzufedern, dass der erforderliche geringfügige Abstand zwischen der Deckfolie und der Welle entstehen kann. Dadurch kann es an diesen Stellen nicht mehr zu den beschriebenen Kantenläufern kommen, die bisher ursächlich für Lagerschäden oder Lagerausfälle waren.
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Figurenliste
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Eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäß ausgebildeten Radial-Folienlagers wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine Seitenansicht eines eine Welle tragenden erfindungsgemäß ausgebildeten Radial-Folienlagers;
- 2 eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäß ausgebildeten Radial-Folienlagers mit einer teilaufgebrochenen Deckfolie;
- 3 zwei Ausführungen einer Wellfolie des erfindungsgemäßen Radial-Folienlagers mit symmetrischer Taillierung;
- 4 zwei Ausführungen einer Wellfolie des erfindungsgemäßen Radial-Folienlagers mit unsymmetrischer Taillierung;
- 5 zwei Ausführungen einer Wellfolie des erfindungsgemäßen Radial-Folienlagers mit verkürzter Taillierung;
- 6 eine Ausführung einer Wellfolie des erfindungsgemäßen Radial-Folienlagers mit in Umfangsrichtung unsymmetrischer Taillierung.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
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Aus 1 geht deutlich ein Radial-Folienlager 1 zum Lagern einer Welle 13 hervor, welches aus einem hülsenartigen Lagergehäuse 2 mit wenigstens drei über den Innenumfang 3 des Lagergehäuses 2 verteilt angeordneten Folienpaketen 4, 5, 6 besteht, die jeweils einen Abschnitt des Innenumfangs 3 des Lagergehäuses 2 überdecken. Diese Folienpakete 4, 5, 6 bestehen, wie auch in 2 erkennbar ist, jeweils aus einer am Innenumfang 3 des Lagergehäuses 2 anliegenden elastischen Wellfolie 7 sowie aus einer unterseitig auf der Wellfolie 7 aufliegenden Deckfolie 8, die oberseitig eine Lagerfläche für die Welle 13 bildet. Dabei sind am Innenumfang 3 des Lagergehäuses 2 sechs sich parallel zur Lagerrotationsachse erstreckende, schräg von innen nach außen in das Lagergehäuse 2 hineinragende Stecknuten 9, 10 angeordnet, die zur Aufnahme der die Wellfolien 7 und die Deckfolien 8 jeweils in Umfangsrichtung begrenzenden Endkanten 11, 12 dienen, welche tangential frei beweglich in den Stecknuten 9, 10 angeordnet sind.
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Des Weiteren ist aus 2 ersichtlich, dass die Wellfolien 7 an ihren in Umfangsrichtung verlaufenden Seitenkanten 14, 15 örtlich zumindest eine deren Axialbreite B verringernde Taillierung 16, 17 aufweisen, mit der die radiale Federsteifigkeit der Wellfolien 7 im Bereich ihrer Seitenkanten 14, 15 reduzierbar ist. Dadurch soll erreicht werden, dass der durch die Rotation der Welle 13 verursachte Luftdruck auch an den mit dem Umgebungsluftdruck verbundenen beiden Seitenrändern der Deckfolien 8 ausreicht, die zugehörigen Wellfolien 7 derart einzufedern, dass der erforderliche geringfügige Abstand zwischen den Deckfolien 8 und der Welle 13 entstehen kann und es an diesen Stellen nicht mehr zu Kantenläufern kommt, die bisher ursächlich für Lagerschäden oder Lagerausfälle waren.
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Bei der in 3 gezeigten bevorzugten ersten Ausführungsform einer Wellfolie 7 sind dabei an beiden Seitenkanten 14, 15 der Wellfolien 7 Taillierungen 16, 17 angeordnet und beide Taillierungen 16, 17 kreisabschnittförmig sowie symmetrisch zueinander ausgebildet, indem diese gleiche Taillierungstiefen TT1, TT2 und gleiche Taillierungslängen TL1, TL2 aufweisen. Der einzige Unterschied zwischen den beiden abgebildeten und für verschiedene Radial-Folienlager vorgesehenen Wellfolien 7 ist, dass bei der links dargestellten Wellfolie 7 die Taillierungstiefen TT1, TT2 größer sind als bei der rechts dargestellten Wellfolie 7.
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Die in 4 gezeigte alternative zweite Ausführungsform einer Wellfolie 7 unterscheidet sich von der in 3 gezeigten Ausführungsform dadurch, dass die Taillierungen 16, 17 an beiden Seitenkanten 14, 15 der Wellfolien 7 zwar ebenfalls kreisabschnittförmig jedoch unsymmetrisch zueinander ausgebildet sind. Deutlich sichtbar weisen die Taillierungen 16, 17 dabei unterschiedliche Taillierungstiefen TT1, TT2 mit gleichen Taillierungslängen TL1, TL2 auf, wobei auch hier bei der links dargestellten Wellfolie 7 die Taillierungstiefen TT1, TT2 größer sind als bei der rechts dargestellten Wellfolie 7.
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Eine dritte alternative Ausführungsform einer Wellfolie 7 ist zudem noch in 6 zu sehen. Diese Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Taillierungen 16, 17 an beiden Seitenkanten 14, 15 der Wellfolien 7 in Umfangsrichtung unsymmetrisch ausgebildet sind und gleiche Taillierungstiefen TT1, TT2 sowie gleiche Taillierungslängen TL1, TL2 aufweisen. Deutlich sichtbar weichen bei dieser Ausführungsform die Taillierungen 16, 17 von einer Kreisabschnittsform ab und weisen stattdessen eine kurven- oder bogenförmige Kontur auf.
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Schließlich ist den Zeichnungen noch zu entnehmen, dass die Taillierungen 16, 17 an beiden Seitenkanten 14, 15 der Wellfolien 7 sich in Umfangsrichtung entweder, wie in den 3 und 4 dargestellt, vom ersten Wellenberg W1 bis zum letzten Wellenberg W5 jeder Wellfolie 7 erstrecken, oder wie in den 5 und 6 abgebildet, sich nur vom zweiten Wellenberg W2 bis zum vorletzten Wellenberg W4 jeder Wellfolie 7 erstrecken. Die Auswahl dieser bevorzugten Taillierungslängen TL1, TL2 ist dabei abhängig vom gewünschten Grad der Reduzierung der axialen Federsteifigkeit der Wellfolien 7. Außerdem sollten die Taillierungstiefen TT1, TT2 immer so bemessen sein, dass die Breite der Wellfolie 7 zwischen den tiefsten Punkten beider Taillierungen 16, 17 zwischen 0,75% und 0,95% der Axialbreite B der Wellfolien 7 an deren Endkanten 11, 12 beträgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Radial-Folienlager
- 2
- Lagergehäuse
- 3
- Innenumfang von 2
- 4
- Folienpaket
- 5
- Folienpaket
- 6
- Folienpaket
- 7
- Wellfolie
- 8
- Deckfolie
- 9
- Stecknut
- 10
- Stecknut
- 11
- Endkanten von 7
- 12
- Endkanten von 8
- 13
- Welle
- 14
- Seitenkante von 7
- 15
- Seitenkante von 7
- 16
- Taillierung an 14
- 17
- Taillierung an 15
- B
- Axialbreite von 7
- TT1
- Taillierungstiefe an14
- TT2
- Taillierungstiefe an 15
- TL1
- Taillierungslänge an 14
- TL2
- Taillierungslänge an 15
- W1
- erster Wellenberg von 7
- W2
- zweiter Wellenberg von 7
- W4
- vorletzter Wellenberg von 7
- W5
- letzter Wellenberg von 7
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015224869 A1 [0003]
