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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 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 im Bereich ihrer in Umfangsrichtung verlaufenden Seitenkanten örtlich zumindest eine parallel zu den Seitenkanten verlaufende Perforation 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 9 beschrieben.
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Danach ist es gemäß Anspruch 2 bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Radial-Folienlager vorgesehen, dass an jeder Seitenkante der Wellfolien eine bevorzugt eine Langlochform aufweisende Perforation angeordnet ist, wobei beide Perforationen symmetrisch zueinander mit gleichen Perforationsbreiten, gleichen Perforationslängen und mit gleichen Abständen zu den Seitenkanten ausgebildet sind. Eine solche Ausbildung hat sich besonders bei Radialfolienlagern 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 erste alternative Ausbildung des erfindungsgemäß ausgebildeten Radial-Folienlagers, dass an jeder Seitenkante der Wellfolien eine bevorzugt eine Langlochform aufweisende Perforation mit einheitlicher Perforationslänge angeordnet ist, wobei beide Perforationen unsymmetrisch zueinander mit ungleichen Abständen zu den Seitenkanten und/oder mit ungleichen Perforationsbreiten ausgebildet sind. Eine unsymmetrische Ausbildung der Perforationen mit gleichen Perforationslängen aber unterschiedlichen Perforationsbreiten 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 zweite alternative Ausbildung des erfindungsgemäß ausgebildeten Radial-Folienlagers sein, dass an jeder Seitenkante der Wellfolien jeweils ein Paar eine größere und eine kleinere Perforationslänge aufweisende Perforationen mit einer Langlochform angeordnet sind und beide Paare von Perforationen symmetrisch zueinander mit gleichen Perforationsbreiten und gleichen Abständen zu den Seitenkanten ausgebildet sind. Derartige Perforationen sind besonders für Radial-Folienlager mit größerem Durchmesser geeignet, bei denen die Radialbelastungen gleichmäßig und Schiefstellungen der zu lagernden Welle weitestgehend ausgeschlossen sind.
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Eine dritte alternative Ausbildung des erfindungsgemäß ausgebildeten Radial-Folienlagers ist es zusätzlich nach Anspruch 5, dass an jeder Seitenkante der Wellfolien bevorzugt eine Langlochform aufweisende, einzelne oder Paare von Perforationen angeordnet sind, welche unsymmetrisch zueinander mit gleichen Perforationsbreiten aber ungleichen Perforationslängen ausgebildet sind. Derartige Perforationen 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 6 bis 8 des Weiteren vorgeschlagen, dass die mit einzelnen Perforationen gleicher Perforationslänge ausgebildeten Perforationen in den Wellfolien sich bei einer Wellfolie 7 mit sechs Wellentälern und fünf Wellenbergen bevorzugt vom zweiten Wellental bis zum vorletzten Wellental erstrecken. Die mit einzelnen Perforationen unterschiedlicher Perforationslänge ausgebildeten Perforationen in den Wellfolien 7 erstrecken sich dagegen vom ersten Wellenberg bis zum letzten Wellenberg beziehungsweise vom zweiten Wellental bis zum vorletzten Wellental.
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Bei den mit Paaren von Perforationen ausgebildeten Wellfolien ist es dagegen von Vorteil, wenn sich bei einer Wellfolie mit sechs Wellentälern und fünf Wellenbergen die eine größere Perforationslänge aufweisenden Perforationen konkret vom zweiten Wellental W2 bis zum vorletzten Wellental oder vom ersten Wellenberg bis zum letzten Wellenberg erstrecken. Die eine kleinere Perforationslänge PL2 aufweisenden Perforationen 16b, 17b der mit Paaren von Perforationen 16, 17 ausgebildeten Wellfolien 7 erstrecken sich dabei vom dritten Wellental W3 bis zum vierten Wellental W4 (5 links, 6 rechts) oder vom zweiten Wellenberg WB2 bis zum vorletzten Wellenberg WB5 (5 rechts, 6 rechts). Die Auswahl dieser bevorzugten Perforationslängen ist dabei abhängig vom gewünschten Grad der Reduzierung der axialen Federsteifigkeit der Wellfolien. Bei Radial-Folienlagern mit größeren Innendurchmessern des Lagergehäuses und entsprechenden Wellfolien mit mehr als fünf Wellenbergen und sechs Wellentälern sind auch Perforationslängen denkbar, die größer als die gennannten Bereiche sind.
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Schließlich ist es gemäß Anspruch 9 noch eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäß ausgebildeten Radial-Folienlagers, dass der mit Perforierungen ausgebildete Bereich der Seitenkanten so bemessen ist, dass die Wellfolien zwischen den Perforierungen einen unperforierten Bereich von 75% bis 95% ihrer Axialbreite aufweisen. 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.
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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 örtlichen Perforationen 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 Perforation;
- 4 zwei Ausführungen einer Wellfolie des erfindungsgemäßen Radial-Folienlagers mit unsymmetrischer Perforation;
- 5 zwei Ausführungen einer Wellfolie des erfindungsgemäßen Radial-Folienlagers mit Paaren symmetrischer Perforationen;
- 6 zwei Ausführungen eine Wellfolie des erfindungsgemäßen Radial-Folienlagers mit einzelnen und mit Paaren unsymmetrischer Perforierungen.
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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.
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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 parallel zu den Seitenkanten 14, 15 verlaufende Perforation 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 ist dabei an jeder Seitenkante 14, 15 der Wellfolien 7 eine Perforation 16, 17 mit einer Langlochform angeordnet, wobei beide Perforationen 16, 17 symmetrisch zueinander mit gleichen Perforationsbreiten PB1, PB2, gleichen Perforationslängen PL1, PL2 und mit gleichen Abständen A1, A2 zu den Seitenkanten 14, 15 ausgebildet sind. Der Unterschied zwischen den beiden abgebildeten und für verschiedene Radial-Folienlager 1 vorgesehenen Wellfolien 7 ist, dass bei der links dargestellten Wellfolie 7 die Abständen A1, A2 der Perforationen 16, 17 zu den Seitenkanten 14, 15 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 mit einer einheitlicher Perforationslänge PL1, PL2 ausgebildeten Perforationen 16, 17 unsymmetrisch zueinander angeordnet sind. Deutlich sichtbar weisen die Perforationen 16, 17 dabei bei der links dargestellten Wellfolie 7 ungleiche Abstände A1, A2 zu den Seitenkanten 14, 15 auf, während bei der rechts dargestellten Wellfolie 7 die Perforationen 16, 17 ungleiche Perforationsbreiten PB1, PB2 und ungleiche Abstände A1, A2 zu den Seitenkanten 14, 15 aufweisen.
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Als dritte alternative Ausführungsform einer Wellfolie 7 ist in 5 dargestellt, dass an jeder Seitenkante 14, 15 der Wellfolien 7 jeweils ein Paar eine größere und eine kleinere Perforationslänge PL1, PL2 aufweisende Perforationen 16a, 16b, 17a, 17b mit einer Langlochform angeordnet ist. Beide Paare von Perforationen 16a, 16b, 17a, 17b sind dabei deutlich sichtbar symmetrisch zueinander angeordnet und mit gleichen Perforationsbreiten PB1, PB2 sowie gleichen Abständen A1, A2 zu den Seitenkanten 14, 15 ausgebildet.
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Eine vierte alternative Ausführungsform einer Wellfolie 7 ist zudem noch in 6 zu sehen. Diese Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass an jeder Seitenkante 14, 15 der Wellfolien 7 einzelne Perforationen 16, 17 oder Paare von Perforationen 16a, 16b, 17a, 17b mit einer Langlochform angeordnet sind, welche unsymmetrisch zueinander mit gleichen Perforationsbreiten PB1, PB2 aber ungleichen Perforationslängen PL1, PL2 ausgebildet sind.
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Schließlich ist den Zeichnungen noch zu entnehmen, dass die in den 3 und 4 gezeigten, mit einzelnen Perforationen 16, 17 gleicher Perforationslänge PL1, PL2 ausgebildeten Perforationen 16, 17 in den Wellfolien 7 sich bei einer Wellfolie 7 mit sechs Wellentälern und fünf Wellenbergen konkret vom zweiten Wellental W2 bis zum vorletzten Wellental W5 erstrecken. Die mit einzelnen Perforationen 16, 17 unterschiedlicher Perforationslänge PL1, PL2 ausgebildeten Perforationen 16, 17 in den Wellfolien 7 gemäß 6 links erstrecken sich dagegen vom ersten Wellenberg WB2 bis zum letzten Wellenberg WB5 beziehungsweise vom zweiten Wellental W2 bis zum vorletzten Wellental W5.
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Bei den in den 5 und 6 dargestellten, mit Paaren von Perforationen 16a, 16b, 17a, 17b ausgebildeten Wellfolien 7 erstrecken sich bei einer Wellfolie 7 mit sechs Wellentälern und fünf Wellenbergen die eine größere Perforationslänge PL1 aufweisenden Perforationen 16a, 17a konkret vom zweiten Wellental W2 bis zum vorletzten Wellental W5 (5 links) oder vom ersten Wellenberg WB1 bis zum letzten Wellenberg W5 (5/6 rechts). Die eine kleinere Perforationslänge PL2 aufweisenden Perforationen 16b, 17b der mit Paaren von Perforationen 16, 17 ausgebildeten Wellfolien 7 erstrecken sich dabei vom dritten Wellental W3 bis zum vierten Wellental W4 (5 links, 6 rechts) oder vom zweiten Wellenberg WB2 bis zum vorletzten Wellenberg WB5 (5 rechts, 6 rechts). Die Auswahl dieser bevorzugten Perforationslängen PL1, PL2 ist dabei abhängig vom gewünschten Grad der Reduzierung der axialen Federsteifigkeit der Wellfolien 7. Außerdem sollte der mit Perforierungen 16, 17, 16a, 16b, 17a, 17b ausgebildete Bereich der Seitenkanten 14, 15 so bemessen sein, dass die Wellfolien 7 zwischen den Perforierungen 16, 17 einen unperforierten Bereich von 75% bis 95% ihrer Axialbreite B aufweisen.
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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
- Perforation an 14
- 17
- Perforation an 15
- B
- Axialbreite von 7
- A1
- Abstand von 16 zu 14
- A2
- Abstand von 17 zu 15
- PB1
- Perforationsbreite
- PB2
- Perforationsbreite
- PL1
- Perforationslänge
- PL2
- Perforationslänge
- W1 W6
- erstes bis letztes Wellental von 7
- WB1 WB5
- erster bis 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]
