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Radialfolienlager sind zur aerodynamischen Lagerung von Wellen vorgesehen, wobei zwischen der Welle und dem Radialfolienlager ein tragendes Gas-/Luftpolster ausgebildet wird. Die Funktionsweise ähnelt der eines hydrodynamischen Gleitlagers jedoch mit dem Unterschied, dass die Welle von dem Radialfolienlager über ein Luftpolster getragen wird und nicht von einem Flüssigkeitspolster eines hydrodynamischen Gleitlagers. Gemeinsam haben beide Funktionsformen, dass erst die Drehbewegung der Welle zum Ausbilden des tragenden Polsters führt.
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Folienlager unterscheiden sich von den konventionellen aerodynamischen Lagern durch eine nachgiebige, elastische Struktur zwischen der rotierenden Welle und dem stationären Gehäusebauteil. Durch dieses Merkmal weisen sie gegenüber den konventionellen Luftlagern zwar eine geringere Steifigkeit auf, können sind jedoch an geometrische Luftspaltänderungen durch z.B. Fluchtungsfehler der Lagersitze oder unterschiedlicher Wärmeausdehnung von Welle und Gehäuse anpassen und ermöglichen dadurch in der Praxis in vielen Anwendungen eine höhere Betriebszuverlässigkeit.
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Zur Ausbildung des tragenden Luftpolsters weist das Radialfolienlager zumeist eine mit der stillstehenden Welle in Kontakt stehenden Deckfolie sowie eine radial zwischen der Deckfolie und den Außenring des Lagers angeordneten Wellfolie auf, welche in radialer Richtung elastisch einfedern kann. Somit hat grundsätzlich das Radialfolienlager zwei miteinander in Kontakt stehende Folien und einen die Folien tragenden Außenring, damit das Radialfolienlager in einem Gehäuse aufgenommen werden kann. Der Außenring kann auch einteilig von dem Gehäuse ausgebildet sein, in das die Folien des Radialfolienlagers eingesetzt werden.
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Wird die Welle in Drehbewegung relativ zum Radialfolienlager versetzt, so wird die in dem vom Stillstand definierten Luftspalt vorhandene Luft verdrängt. Ab einer bestimmten Drehzahl der Welle bildet sich ein Luftpolster zwischen der Deckfolie und der Welle aus, auf dem die Welle gleiten kann. Dabei sorgt das Folienpaket mit seiner Wellfolie und ihrer radialen Federwirkung dafür, dass Schwankungen im Luftdruck oder Vibrationen der Welle in radialer Richtung das Lager nicht beeinträchtigen und somit das Luftpolster tragfähig halten.
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Im Stand der Technik sind vielfältige Bauformen von Folienlagern bekannt. Neben den Radialfolienlagern gibt es auch Axialfolienlager, die eine axiale Tragfähigkeit ausbilden können. Die Anordnung der Folien des Lagers sowie deren geometrische Ausbildung sind vielfältig und jedem Anwendungsfall angepasst.
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Die
EP 2 942 537 A1 zeigt ein Radialfolienlager mit drei Wellfolien und einer nahezu umlaufendenden Deckfolie, wobei die Wellfolien mit einem hakenförmigen Ende jeweils in einen eigenen Schlitz im Außenring eingehakt sind und die Deckfolie mit beiden Enden aneinander anliegend in einen der Schlitze gesteckt ist.
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Die
EP 3 387 275 A1 zeigt ein Radialfolienlager mit drei Paketen aus Deckfolie und Wellfolie, wobei jedes Paket an jedem Ende der Folien in einen Schlitz des Außenringes gesteckt sind.
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Die
CN 209990776 U zeigt ein Radialfolienlager, bei dem sowohl die Wellfolie als auch die Deckfolie nahezu vollständig umlaufend ausgebildet sind, jeweils in abgewinkeltes Ende aufweisen, mit dem beide Folien in einen gemeinsamen Schlitz gesteckt sind. Anschließend wird diese Verbindung mit einer Schraube verklemmend gesichert.
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Die
US 5 915 841 A ,
US 2015 / 0 337 894 A1 ,
WO 2017 / 097 297 A1 und die
WO 2008/134 142 A1 zeigen jeweils Radialfolienlager als Stand der Technik.
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Als problematisch stellte sich heraus, die Folien zur Optimierung der funktionstüchtigen Tragfähigkeit wirtschaftlich anzuordnen.
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Es ist somit die Aufgabe der Erfindung ein Radialfolienlager auszubilden, welches eine wirtschaftliche Anordnung der Folien erlaubt und das Radialfolienlager in seiner Funktion verbessert.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich durch eine Anschlagskante der Innenumfangsfläche im Außenring des Radialfolienlagers aus, welche zur exakten Positionierung der Folien am Außenring dienen. Dabei wird ein Paket aus je einer Deckfolien und einer Wellfolie zugleich an einer einzigen Anschlagskante stirnseitig positioniert, so dass die gemeinsame Stirnseite der Folien des Folienpakets an der Anschlagkante anliegen. Folglich sind sowohl die Folien zueinander als auch zum Außenring exakt positioniert.
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Der „Außenring“ im Rahmen der Erfindung kann als separates Bauteil - als „Außenbauteil“ - in ein Gehäuse eingesetzt werden oder einteilig mit dem Gehäuse ausgebildet sind, so der mit dem Gehäuse integral ausgebildete Außenring als Gehäusebohrung vorhanden ist, wobei die Anschlagskante integral von der Wandung dieser Gehäusebohrung ausgebildet ist. Im Rahmen der Erfindung wird die mehrteilige Ausführung („Außenbauteil“) und die einteilige Ausführung („Gehäusebohrung“) unter dem Begriff „Außenring“ zusammengeführt. Wesentlich für die Erfindung des Radialfolienlagers ist hierbei, dass das Folienpaket in der Ringform eines Außenringes platzierbar ist.
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Die vom Außenring des Radialfolienlagers einteilig ausgebildeten Anschlagskanten setzen sich von der Innenumfangsfläche zur Anlage des Folienpakets radial nach innen ab. Mit anderen Worten stehen die Anschlagkanten von der Innenumfangsfläche radial nach innen hervor. Die Anschlagkante selbst versteht sich als Punktform, Linienform oder als Flächenform, die mit der Stirnseite des Folienpakets in Kontakt treten kann und ein Freiheitsgrad in Umfangsrichtung sperrt.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Qualität der Tragfähigkeit selbst als auch die Abstützung der Deckfolie auf der Wellfolie verbessert. Sind mehrere dieser Folienpakete über den Innenumfang der Innenumfangsfläche des Außenrings mit je seiner Anschlagskante positioniert, so wird die Tragfähigkeit über den gesamten Umfang und somit auch im drehenden Betrieb der Welle homogenisiert.
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Erfindungsgemäß liegen Deckfolie und Wellfolie im Bereich der Anschlagkante aneinander flächig an, so dass die stirnseitige Fläche beider Folien in Umfangsrichtung weist und die Anlageflächen zueinander von Abschnitten der Umfangsflächen der Folien gebildet werden. Die Wellfolie weist in diesem Bereich keine gewellte Kontur auf. Die Umfangsflächen folgen weitestgehend einer Kreisbogenform und somit der Geometrie der Innenmantelfläche des Außenringes. Vorteilhafterweise ist der benötigte Bauraum in radialer Richtung in diesem Anschlagkantenbereich durch die erfindungsgemäße Lösung reduziert worden.
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Die stirnseitige Fläche beider Folien des Folienpaketes können gemeinsam an der Anschlagkante anliegen, wobei es auch alternativ möglich ist, dass eine der Folien des Folienpaketes mit seiner stirnseitigen Fläche mit dem Anschlagkante in Anlage ist, wobei die andere Folie zu der Anschlagkante beabstandet ist. In beiden Fällen ist das Folienpaket über die Anschlagkante zum Außenring in Umfangsrichtung zuverlässig und korrekt positioniert.
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Sollten beide Folien mit ihren jeweiligen stirnseitigen Flächen zugleich in Kontakt mit der Anschlagkante stehen, so kann die Anschlagkante für jede Folie eine voneinander verschiedene, eingangs genannte geometrische Form aufweisen, sofern der Kontakt zwischen jeder Folie und jeder Anschlagkante einen Freiheitsgrad (in Umfangsrichtung) sperrt. Als ein Ausführungsbeispiel sei hier eine gestufte, treppenartige, abgesetzte Ausführung der Anschlagkante denkbar, bei der jede Folie mit seiner stirnseitigen Anlagefläche in Kontakt mit seiner Stufe kommt.
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Das Radialfolienlager mit vorteilhafterweise drei Folienpaketen, welche in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind, kann sich nur in einer Drehrichtung bewegen - und ist somit unidirektional ausgebildet. Eine Drehrichtungsumkehr ist, insbesondere im Betrieb, nicht möglich und nicht vorgesehen. Das erfindungsgemäße Radialfolienlager ermöglicht durch seinen Aufbau nur eine Wellendrehrichtung. Auch ist damit ein gerichteter Einbau des Radialfolienlagers nötig, damit die Drehrichtung der zu tragenden Welle der Betriebsdrehrichtung des Radialfolienlagers entspricht. Hierzu können die erfindungsgemäßen Anschlagkanten als Orientierungsmittel verwendet werden.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung entspricht die axiale Erstreckung der Innenumfangsfläche des Außenrings der Breite der Wellfolie beziehungsweise der Deckfolie beziehungsweise des Folienpakets, um eine sichere Abstützung in Umfangsrichtung zu gewährleisten und einem Verdrehen bei der Positionierung des Folienpaketes am Außenring entgegenzuwirken. Mit dieser Abstützung sind die Folien korrekt positioniert und können in einem weiteren Fertigungsschritt mit dem Außenring fest verbunden werden.
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Die feste Verbindung des Folienpaketes mit dem Außenring ist vorzugsweise an dem Ende der Folie beziehungsweise der Folien vorgesehen, welches sich im Bereich der Anschlagskante befindet. Somit ist das andere Ende der Folie beziehungsweise der Folien unbefestigt mit dem Außenring, jedoch anliegend aneinander und am Außenring ausgeführt.
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Die feste Verbindung des Folienpaketes mit dem Außenring und/oder der Folien zueinander kann vorzugsweise durch ein Laser- oder Widerstandpunktschweißverfahren erfolgen.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass sich die Deckfolie des einen Folienpakets mit der Deckfolie des in Umfangsrichtung drauffolgenden Folienpakets mit radialem Abstand überlappt. Damit wird vorteilhafterweise die umfangsseitige Tragfläche vergrößert und dafür auch der Bauraum in Umfangsrichtung zwischen den einzelnen Folienpaketen deutlich besser genutzt. Der radiale Abstand definiert sich hierbei so, dass sich die Geometrie der Deckfolie in Umfangsrichtung ändert. Im Bereich der Anschlagkante befindet sich die Deckfolie auf einem größeren Teilkreis als im Bereich der Wellfolie. Somit kann das freie Ende der Deckfolie eines Folienpaketes das feste Ende der Deckfolie des umfangsseitig drauffolgenden Folienpaketes überlappen - mit radialem Abstand und ohne gegenseitige Kontaktierung.
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Dabei ist der umfangsseitige Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Deckfolien derart dimensioniert, dass sich diese im Betrieb nicht einander berühren - insbesondere bei Erschütterungen des Radialfolienlagers oder der Welle. Die umfangsseitige Beabstandung ist jedoch auch dergestalt, dass ein Abreißen des Luftpolsters vermieden wird - beispielsweise bemisst sich der Abstand anhand der an dem Ende der Folie auftretenden Turbulenzen.
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Der Abstand zweier aufeinanderfolgender Wellfolien ist derart, dass beim radialen Einfedern der Wellfolien im Betrieb die umfangsseitige Erstreckung der Wellfolie vergrö-ßert wird. Hierbei ist der Abstand im Ruhezustand der Welle (und auch des Radialfolienlagers) so gewählt, dass ausreichend Platz verbleibt, welcher im Betrieb für die Wellfolienlängung zur Verfügung steht. Die Wellenform der Wellfolien kann auch als Federfolie mit federnden Elementen verstanden werden.
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Dabei soll erfindungsgemäß vermieden werden, dass die Längung der Wellfolie im Betrieb oder die Überlappung der Deckfolien eine Kontaktierung der Anschlagkante bedingen. Vorteilhafterweise ist der Anschlag der Anschlagkante entgegen der Drehrichtung der Welle und somit nur einseitig angeordnet. Im Betrieb des Radialfolienlagers und somit bei Drehung der Welle ist die Kinematik dergestalt, dass ein sich gedachter Fixpunkt auf der Welle von dem festen Ende des Folienpaketes zum losen Ende des Folienpaketes bewegt und somit die Anschlagkante rückseitig passiert.
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Zur Lösung der Aufgabe ist erfindungsgemäß auch ein Verfahren zur Herstellung des Radialfolienlagers vorgeschlagen, bei dem die Folienpakete an der Anschlagkante angeschlagen werden und in dem Bereich um die Anschlagkante eine feste Verbindung erfahren. Diese feste Verbindung ist in jedem Fall verliersicher in dem Sinne, dass sich das Folienpaket nicht zerstörungsfrei vom Außenring lösen lässt. Dafür schlägt die Erfindung vorteilhafterweise ein Laser- oder Widerstandspunktschweißverfahren vor.
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Anstatt das vormontierte oder vorkonfektionierte Folienpaket mit dem Außenring zu verbinden, kann alternativ vorgesehen sein, dass zunächst die Wellfolie mit dem Außenring gefügt wird, in dem die Wellfolie mit ihrem stirnseitigen Ende an der Anschlagskante anschlägt, dort gehalten wird und anschließend mit der Deckfolie gefügt wird, welche wiederum mit ihrem stirnseitigen Ende ebenfalls an der Anschlagkante anliegt. Abschließend wird das Folienpaket fest mit dem Außenring im Bereich der Anschlagkante befestigt.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der nachfolgenden 1 näher beschrieben.
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Die 1 zeigt ein Radialfolienlager 1 mit einem Außenring 2, einer Wellfolie 3 und einer Deckfolie 4, wobei eine Wellfolie 3 und eine Deckfolie 4 ein Folienpaket 8 bilden. Drei Folienpakete 8 sind über den Umfang des Außenringes 2 aufeinanderfolgend gemustert und im regelmäßigen Abstand zueinander angeordnet. Dabei liegt an einer Innenumfangsfläche 5 des Außenringes 2 die Wellfolie 3 an, welche in Umfangsrichtung des Radialfolienlagers 1 gesehen eine Wellenform aufweist. Auf der dem Außenring 2 gegenüberliegenden Seite der Wellfolie 3 liegt die Deckfolie 4 an der Wellfolie 3 an. Die Wellenform der Wellfolie 3 lässt die Deckfolie 4 zum Außenring 2 hin einfedern, das heißt die radiale Ausdehnung der Wellfolie 3 verringert sich durch das Einfedern. Durch dieses Einfedern verlängert sich die Dimension der Wellfolie 3 in Umfangsrichtung. Die Wellfolie 3 kontaktiert mit der Stirnfläche seines einen stirnseitigen Endes die Anschlagkante 6 des Außenringes 2. Gleichenfalls kontaktiert die Deckfolie 4 mit seinem einen stirnseitigen Ende dieselbe Anschlagkante 6 des Außenrings. In diesem Bereich der Anschlagkante liegen die beiden Folien 3 und 4 flächig aneinander an, wobei die Wellfolie 3 in diesem Bereich keine Wellenform aufweist.
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Die Ausbildung der Anschlagkante 6 wird in 2 näher erläutert.
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An dieser Anschlagkante 6 des Außenringes 2 kann vorteilhafterweise auch die Stirnfläche des einen stirnseitigen Endes der Deckfolie 4 anliegen. Unabhängig davon, ob nur die Wellfolie 3 oder beide Folien 3 und 4 an der Anschlagkante 6 anliegen, ist das Folienpaket 8 mit der Anlage mindestens einer Folie 3, 4 korrekt im Außenring 2 positioniert. Anschließend kann das Folienpaket 8 mit dem Außenring 2 fest verbunden werden, indem im Bereich der Anschlagkante 6 beispielsweise ein Laserschweißverfahren das Folienpaket 8 mit dem Außenring 2, unter Beibehaltung des Kontaktes des Folienpaketes 8 mit der Anschlagkante 6, fest und verliersicher verbindet. Dazu liegen die beiden Folien 3 und 4 mit ihren Umfangsflächen vorteilhafterweise flächig aneinander und als Folienpaket 8 auch in diesem Bereich flächig am Außenring 2 an.
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Die Anschlagkante 6 ist als Fläche ausgebildet, welche mit seinem Normalenvektor nahezu in Umfangsrichtung weist. Mit dieser Ausbildung setzt sich die Anschlagkante 6 von der Innenumfangsfläche 5 radial nach innen ab und bildet eine Stufe. Die Fläche der Anschlagkante 6 erstreckt sich auf der gesamten axialen Länge des Außenringes 2. Zur besseren Anlage des Folienpaketes 8 ist angrenzend an die Anschlagkante 6 ein Freistich 9 vorgesehen, der von dem Folienpaket 8 überbrückt wird. Alternativ kann anstatt des Freistichs 9 eine scharfkantige Ausführung der Innenecke möglich sein. Im Bereich des Freistichs 9, besser sichtbar in 1, überlappen sich einzelne Folien zweier in Umfangsrichtung aufeinanderfolgender Folienpakete 8 in radialer Richtung. Mit anderen Worten überdeckt ein freies, unbefestigtes Ende des einen Folienpaketes 8 ein befestigtes Ende des drauffolgenden Folienpaketes 8. Somit hat das eine freie Ende des Folienpaketes 8 die Möglichkeit, sich im Betrieb beim Einfedern der Wellfolie 3 in Umfangsrichtung auszudehnen. Damit wird auch klar, dass das gezeigte Radialfolienlager 1 ein unidirektionales Lager ist, wobei eine sich in dem Lager drehende Welle (nicht dargestellt) ein Drehung ausgehend vom festen Ende eines Folienpaketes 8 zum freien Ende desselben Folienpaketes 8 stattfindet.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Radialfolienlager
- 2
- Außenring
- 3
- Wellfolie
- 4
- Deckfolie
- 5
- Innenumfangsfläche
- 6
- Anschlagkante
- 7
- stirnseitige Fläche
- 8
- Folienpaket
- 9
- Freistich
