-
Die Erfindung betrifft ein Fluid-Drehlager,
mit einer Drehachse, mit einem als Stator ausgebildeten ersten Lagerelement
und mit einem als Rotor ausgebildeten zweiten Lagerelement, wobei
Stator und Rotor einander mit mindestens einer Statorfläche bzw. mindestens
einer Rotorfläche
gegenüberstehen
und die Flächen
zwischen sich einen Spalt einschließen, wobei ferner mindestens
eine der Flächen
als Membran mit einem Rand ausgebildet ist und Mittel vorgesehen
sind, um ein Fluid mit einem ersten Druck, der vorzugsweise in Abhängigkeit
von einer auf das Drehlager einwirkenden Kraft vorbestimmbar ist, durch
die Membran hindurch in den Spalt einzubringen.
-
Ein Fluid-Drehlager der vorstehend
genannten Art ist aus der CH 604 033 bekannt.
-
Die Erfindung betrifft ferner ein
Koordinaten-Meßgerät mit einem
Meßtisch,
einem in den Meßtisch
eingebauten Rundtisch mit einer Drehachse zum Drehen von zu vermessenden
Werkstücken relativ
zu einem Meßtaster,
einem im Rundtisch angeordneten Rundtischlager für das Werkstück mit einem
als Stator ausgebildeten ersten Lagerelement und mit einem als Rotor
ausgebildeten zweiten Lagerelement, wobei Stator und Rotor einander
mit mindestens einer Statorfläche
bzw. mindestens einer Rotorfläche
gegenüberstehen
und die Flächen
zwischen sich einen Spalt einschließen, und mit Mitteln, um ein
Fluid mit einem ersten Druck, der vorzugsweise in Abhängigkeit
von einer auf das Drehlager einwirkenden Last vorbestimmbar ist,
in den Spalt einzubringen.
-
Ein Koordinaten-Meßgerät der vorstehend genannten
Art ist bekannt.
-
In der bereits erwähnten
CH 604 033 A ist eine
Mehrzahl unterschiedlicher Fluidlager beschrieben, die als Gleitlager
oder als Drehlager ausgebildet sind. Bei einer ersten beschriebenen
Gruppe von Beispielen (
1 bis
6) sind die Lager als Gleitlager ausgebildet.
Ein im wesentlichen kreiszylindrisches bewegliches Lagerelement
ist an seiner Unterseite mit einer Membran versehen, die einen im
Lagerelement befindlichen Hohlraum abschließt. Die Membran ist mit einer
zentralen Öffnung
versehen. In den Hohlraum ist ein Fluid einleitbar, wodurch in dem Hohlraum
ein Druck eingestellt werden kann, der in Abhängigkeit von einer auf das
Gleitlager einwirkenden vertikalen Lagerlast vorbestimmbar ist.
Das Gleitlager gleitet dann nach Art eines Luftkissenfahrzeugs über eine
ebene Statorfläche,
weil das durch die zentrale Öffnung
in der Membran ausströmende Fluid
ein Fluidkissen zwischen der Membran und der Statorfläche bildet.
Infolge der sich einstellenden Druckverhältnisse wölbt sich die Membran dabei nach
innen in den Hohlraum hinein, so daß eine Selbstkompensation der
Luftspaltbreite stattfindet, die an sich durch die einwirkende Lagerlast
verringert würde,
aber durch die Wölbung
der Membran wieder vergrößert wird.
Bei einem der in diesem Zusammenhang beschriebenen Beispiel (
6) wird das Fluid direkt der zentralen Öffnung in
der Membran zugeleitet, während
der dahinter liegende Hohlraum sich auf Atmosphärendruck befindet.
-
Bei einer weiteren Gruppe von beschriebenen
Beispielen (1 bis 17) sind die Lager als Axial-Drehlager
ausgebildet. Der Rotor ist dabei mit radialen Lagerflächen versehen,
dem radiale Lagerflächen
des Stators über
einen Spalt hinweg gegenüberstehen.
Dabei können
die radialen Lagerflächen des
Stators auch als Membranen ausgebildet sein (17),
in denen sich mehrere Öffnungen
zum Durchtritt des Fluids befinden, die auf einer Kreislinie um
die Drehachse herum angeordnet sind. Die hinter den kreisringförmigen Membranen
angeordneten Hohlräume
befinden sich dabei auf dem Druck des Fluids.
-
Schließlich sind in dieser Schrift
auch Ausführungsbeispiele
(21 bis 24)
beschrieben, in denen die durch eine Membran gebildete Lagerfläche eines
Stators die Form einer Kugelkalotte aufweist. Hier ist alternativ
der Hohlraum hinter der Membran mit dem Druck des Fluids beaufschlagt (22) oder befindet sich auf Atmosphärendruck (23).
-
Aus der
DE 33 43 470 A1 ist ein
Gasdrucklager bekannt. Bei diesem bekannten Gasdrucklager handelt
es sich um ein im wesentlichen zylinderförmiges Gleitlager der grundsätzlich bereits
beschriebenen Art, das also nach Art eines Luftkissenfahrzeugs über eine
ebene Statorfläche
gleitet. Das bekannte Gasdrucklager wird bevorzugt zur Lagerung
von Portalen bei Mehrkoordinatenmeßmaschinen eingesetzt.
-
Bei diesem bekannten Gasdrucklager
wird eine Erhöhung
der Steifigkeit des Lagers dadurch erreicht, daß die der Statorfläche gegenüberliegende Membran
des beweglichen Lagerelementes nicht an ihrem Rand mit dem Gehäuse verbunden
ist, sondern vielmehr an ihren Rändern
frei auskragt. Gehalten wird die Membran durch einen ringförmigen Steg, der
sich etwa auf halbem Radius der im wesentlichen kreisförmigen Membran
befindet und die Funktion eines Kipplagers aufweist. Auch bei diesem
bekannten Gasdrucklager wird das Fluid über eine zentrale Öffnung in
der Membran hindurch in den Spalt zwischen dem beweglichen Lagerelement
und der Statorfläche geführt. Dies
geschieht auf einem abgedichteten Wege, so daß sich der Raum hinter der
Membran auf Atmosphärendruck
befindet.
-
Bei Einwirken einer Lagerlast und
entsprechender Einstellung des Fluiddrucks wölbt sich auch bei diesem bekannten
Gasdrucklager die Membran in der Mitte nach innen (d.h. bei üblicher
Einbaulage nach oben), während
sich die Ränder
jedoch nach außen,
d.h. nach unten vorwölben.
Dies führt
im Vergleich zu einem entsprechenden Gasdrucklager gemäß der oben
beschriebenen
CH 604 033 bei
gleicher Membranfläche
zu einer höheren
Steifigkeit. Das Konzept dieses Gasdrucklaqers mit im Abstand von
ih rem Rand gehaltener Membran ist jedoch auf Gleitlager beschränkt.
-
Aus der
DE 36 37 410 C2 ist ein
Mehrkoordinaten-Meßgerät in Portalbauweise
beschrieben, das mit einem Rundtisch zum Drehen von zu vermessenden
Werkstücken
versehen ist. Über
die Bauart des Rundtischs ist im einzelnen nichts angegeben, es
ist jedoch bei Rundtischen für
Mehrkoordinaten-Meßgeräte bekannt,
Luftlager einzusetzen. Diese Luftlager besitzen starre Lagerflächen mit
einem parallelen oder einem konischen Luftspalt. Die Luftzufuhr
erfolgt dabei über
Düsen und
Verteilungskanäle
oder direkt über
eine poröse
Lagerfläche.
-
Um dabei sowohl radiale wie auch
axiale Lagerkräfte
aufnehmen zu können,
ist es bekannt, eine Kombination aus einem Radiallager in Form eines Zylinders
und eines Axiallagers als ringförmiges, ebenes
Lager vorzusehen. Es ist jedoch auch bekannt, sogenannte Kalottenlager
einzusetzen, bei denen eine Lagerfläche von kugelkalottenförmiger Gestalt
sowohl radiale wie auch axiale Kräfte aufnehmen kann.
-
Bei Rundtischen für Mehrkoordinaten-Meßgeräte ist von
zentraler Wichtigkeit, daß die
verwendeten Lager, also auch die Drehlager für die Rundtische, extrem hohe
Lagergenauigkeiten aufweisen. In diesem Zusammenhang sind Rund-
und Planlaufabweichungen von weniger als 0,1 um bekannt.
-
Die bekannten Drehlager für Rundtische
besitzen jedoch eine geringe Steifigkeit und damit eine geringe
Belastbarkeit und somit auch nur ein geringes zulässiges Kippmoment.
-
Bei dem Anwendungsfall in einem Rundtisch eines
Mehrkoordinaten-Meßgerätes ist
ferner zu beachten, daß erhebliche
axiale Belastungen auftreten können,
wenn sehr schwere Werkstücke
vermessen werden sollen. So müssen
derartige Lager typischerweise für
Belastungen zwischen 0 und 10 kN ausgelegt werden. Innerhalb dieses
Lastbereiches sollte die effektive Veränderung der Vertikallage des
Rotors, die sich als Differenz der Lagerabsenkung infolge der einwirkenden
Last und des Lagerhubs infolge des zugeführten Fluids darstellt, möglichst
gering sein.
-
Es ist weiterhin bekannt, Drehlager
für Rundtische
in der entscheidenden axialen Belastungsrichtung zur Erhöhung der
Steifigkeit vorzuspannen. Auf diese Weise wird eine Lagerlast erzeugt,
um das eigentliche Axiallager im Bereich der größten Luftlagersteifigkeit betreiben
zu können.
-
Bei einer ersten bekannten Variante
eines solchen Drehlagers werden zwei einander in Axialrichtung gegenüberliegende
Einzellager verwendet, die mechanisch gegeneinander verspannt bzw.
vorgespannt werden.
-
Es ist jedoch in der Lagertechnik
allgemein bekannt, die Vorspannkraft separat aufzubringen, beispielsweise
durch Magnete. In der
US 4 798
478 ist ein Gleit-Luftlager beschrieben, bei dem ebenfalls ein
bewegliches Lagerelement über
eine ebene Statorfläche
gleitet und zwischen diesen beiden Lagerelementen sich ein Luftspalt
befindet, in den Druckluft eingeleitet wird. Dies geschieht bei
diesem bekannten Luft-Gleitlager über kalottenförmige Verteilerelemente
im beweglichen Lagerelement, die eine Verteilung der zugeführten Druckluft
auf einen Ringspalt in der Lagerfläche des beweglichen Lagerelementes bewirken.
-
Um dieses Lager vorzuspannen, ist
bei zwei Ausführungsbeispielen
(11 und 12)
vorgesehen, Permanentmagnete in der Lagerfläche des beweglichen Lagerelementes
vorzusehen, die eine Anziehung des beweglichen Lagerelementes an
die ebene Statorfläche
bewirken und damit dem Einfluß der Druckluft
entgegenwirken. Die Magnete sind jedoch in der Lagerfläche im Abstand
von den Austrittsstellen der Druckluft angeordnet, so daß insgesamt
ein relativ voluminöser
Aufbau entsteht.
-
Der Erfindung liegt demgegenüber die
Aufgabe zugrunde, ein Fluid-Drehlager sowie ein Koordinaten-Meßgerät der eingangs
genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß die Genauigkeit und die Belastbarkeit
des Drehlagers bzw. eines in dem Koordinaten-Meßgerät verwendeten
Rundtischlagers erhöht
wird. Die hohe Genauigkeit der in diesem Zusammenhang bekannten
Fluid-Drehlager soll dabei erhalten bleiben, jedoch um eine sehr
hohe Lagersteifigkeit ergänzt
werden, um auf diese Weise eine Anwendbarkeit in einem weiten Lastbereich
bei hohem zulässigem
Kippmoment zu gewährleisten.
-
Bei einem Fluid-Drehlager der eingangs
erwähnten
Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Membran
mit ihrem zugehörigen
Lagerelement über
im Abstand von ihrem Rand angeordnete Stützen verbunden ist, daß die Stützen zusammen
mit der Membran und dem Lagerelement einen Raum einschließen, und
daß der
Raum mit einem zweiten Druck beaufschlagt ist, der wesentlich geringer
als der erste Druck ist.
-
Bei einem Koordinaten-Meßgerät der eingangs
genannten Art wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß mindestens
eine der Flächen
als Membran mit einem Rand ausgebildet ist, daß die Membran mit ihrem zugehörigen Lagerelement über im Abstand
von ihrem Rand angeordnete Stützen
verbunden ist, daß die
Stützen
zusammen mit der Membran und dem Lagerelement einen Raum einschließen, und
daß der
Raum mit einem zweiten Druck beaufschlagt ist, der wesentlich geringer
als der erste Druck ist.
-
Die der Erfindung zugrunde liegende
Aufgabe wird auf diese Weise vollkommen gelöst.
-
Durch die Verwendung von randseitig
nicht eingespannten Membranen wird nämlich erfindungsgemäß eine gegenüber herkömmlichen
Drehlagern deutlich erhöhte
Steifigkeit erzielt, wie sie bislang nur für Gleitlager, nicht jedoch
für Drehlager,
erzielbar schien. So ermöglicht
es ein erfindungsgemäßes Lager,
in einem Axiallast-Bereich zwischen 0 und 10 kN eine axiale Steifigkeit
von mehr als 1,5 kN/um zu erzielen, wobei mittlerweile bei einem
mit einem erfindungsgemäßen Fluid-Drehlager
ausgerüsteten Rundtisch
eines Koordinaten-Meßgerätes eine
effektive Absenkung des Rundtischs von weniger als 2 um über einen
Lastbereich zwischen 0 und 10 kN erreicht werden konnte. Dies war
mit herkömmlichen Lagerkonfigurationen
nicht möglich.
-
Zwar waren Gasdrucklager mit randseitig nicht-eingespannter
Membran aus der weiter vorne ausführlich gewürdigten
DE 33 43 470 A1 bekannt, für den Fachmann
war aber über
einen sehr langen Zeitraum hinweg nicht vorhersehbar, daß dieses
ausschließlich
für Gleitlager
bekannte Konzept auch für Rundlager
einsetzbar ist. Bei dieser Lagerkonfiguration tritt nämlich eine
hochkomplizierte Verformung der in etwa auf halbem Umfang eingespannten
Membran ein, die bei den bekannten Gleitlagern kreisförmig ausgebildet
ist, so daß unter
Lasteinwirkung die zunächst
ebene Membran in eine leicht eingewölbte Form übergeht. Bei einem Drehlager
sind die Bedingungen jedoch anders, weil dort im Falle einer radialen
Lagerfläche
für ein
Axiallager die Lagerfläche kreisringförmig und
im Falle einer axialen Lagerfläche
für ein
Radiallager sogar zylindrisch ist. Die sich dabei einstellenden
Verformungsvorgänge
sind noch weit komplizierter und ließen sich für den Fachmann nicht vorhersehen.
Insbesondere war nicht vorhersehbar, daß mit einer solchen Konfiguration
die bereits erwähnten
exzellenten Lagercharakteristiken erzielt werden können.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Fluid-Drehlagers
ist der zweite Druck Atmosphärendruck.
-
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß eine separate
Drucksteuerung im Raum hinter der Membran entfällt und gleichzeitig eine hohe
Druckdifferenz zwischen beiden Seiten der Membran besteht.
-
Weiterhin ist bevorzugt, wenn eine
Mehrzahl von Öffnungen
entlang einer Kreislinie angeordnet ist, die sich in der Mitte der
Membran befindet.
-
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß das Fluid
in gleichförmiger
Weise dem torusförmigen Spalt
zugeführt
werden kann.
-
Bei einer ersten Gruppe von Ausführungsbeispielen
der Erfindung ist die als Membran ausgebildete Fläche eine
Radialfläche,
die im wesentlichen kreisringförmig
gestaltet ist und bei Einwirkung einer axial gerichteten Kraft die
Gestalt einer ringförmigen Wanne
annimmt.
-
Bei einer weiteren Gruppe von Ausführungsbeispielen
ist die Membran hingegen als Axialfläche ausgebildet, die im wesentlichen
zylinderförmig
gestaltet ist und bei Einwirkung einer radial gerichteten Kraft
die Gestalt eines gewölbten
Rohres annimmt .
-
Vor allem bevorzugt ist jedoch eine
Bauform, bei der das Fluid-Drehlager
sowohl eine Radialfläche als
auch eine Axialfläche
aufweist, die jeweils als Membranen ausgebildet sind und die vorerwähnten Eigenschaften
haben.
-
Diese Maßnahmen haben den Vorteil,
daß ein
in allen Richtungen abgestütztes
Lager mit hoher Steifigkeit und hoher Präzision zur Verfügung gestellt wird.
-
Bei einer anderen Gruppe von Ausführungsbeispielen
ist die als Membran ausgebildete Fläche eine Kalottenfläche, insbesondere
eine Kugelkalottenfläche,
obwohl auch andere Kalottenformen wie Rotationsellipsoide und Rotationsparaboloide
einsetzbar sind.
-
Eine besonders gute Wirkung wird
mit der Erfindung dann erzielt, wenn die als Membran ausgebildete
Fläche
eine Statorfläche
ist.
-
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Zuführung des
Fluids einfacher gestaltet werden kann, weil – auch insoweit anders als
bei Gleitlagern – ein
Drehlager eine Rotation des Rotors um typischerweise mehrere Umdrehungen
zuläßt, so daß eine Fluidzufuhr
zu dem rotierenden Teil nur schwierig möglich ist und das Risiko birgt,
daß durch
Verwendung von Drehkupplungen oder dgl. positive Lagereigenschaften
wieder verlorengehen.
-
In der Praxis wird ferner bevorzugt,
wenn das Fluid ein Gas, insbesondere Luft, ist.
-
Bei einer weiteren bevorzugten Gruppe
von Ausführungsbeispielen
der Erfindung ist mindestens eine der Flächen mit mindestens einem Magneten versehen,
wobei der mindestens eine Magnet auf die der mindestens einen Fläche gegenüberliegende Fläche eine
anziehende Kraft ausübt.
-
Diese an sich im Stand der Technik
bekannte Maßnahme
hat den bereits erwähnten
Vorteil, daß durch
diese Vorspannung des Lagers die Steifigkeit des Lagers weiter erhöht werden
kann.
-
Insbesondere wird dabei bevorzugt,
wenn eine Mehrzahl von Magneten um die Drehachse herum verteilt
angeordnet ist.
-
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Vorspannkraft
gleichförmig
verteilt werden kann.
-
Dies gilt insbesondere dann, wenn
in Weiterbildung des vorstehend genannten Ausführungsbeispiels die Magnete
jeweils paarweise entlang zweier konzentrischer Kreisringe angeordnet
sind.
-
Innerhalb dieser Gruppe von Ausführungsbeispielen
ist weiter bevorzugt, wenn die der Membran gegenüberliegende Fläche mit
dem mindestens einen Magneten versehen ist, wobei der mindestens eine
Magnet eine anziehende Kraft auf die Membran ausübt.
-
Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß die Membran
selbst nicht mit Magneten versehen zu werden braucht und sich damit
ungestört
verformen kann.
-
Weiterhin ist bevorzugt, wenn der
mindestens eine Magnet derart angeordnet ist, daß die anziehende Kraft eine
in Schwerkraftrichtung weisende Komponente aufweist.
-
Diese an sich bekannte Maßnahme hat
den Vorteil, daß auf
diese Weise das Lager in der Richtung vorgespannt werden kann, in
der es beispielsweise bei Verwendung in einem Rundtisch eines Koordinaten-Meßgeräts durch
das Eigengewicht des zu vermessenden Werkstücks belastet wird.
-
Zu diesem Zwecke ist es weiter bevorzugt, wenn
der mindestens eine Magnet in eine Radialfläche eingebaut ist und die anziehende
Kraft in Schwerkraftrichtung weist.
-
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
ist besonders bevorzugt, wenn der mindestens eine Magnet derart
positioniert ist, daß er
der ihm gegenüberliegenden
Membran in einem Bereich gegenübersteht,
der sich bei Einwirken einer im wesentlichen in Schwerkraftrichtung
gerichteten Kraft von dem mindestens einen Magneten wegbewegt.
-
Diese Maßnahme hat im Zusammenhang mit
der erfindungsgemäß verwendeten
Bauart von randseitig nicht-eingespannten Membranen den großen Vorteil,
daß die
Vorspannwirkung der Magneten im wesentlichen auf die Situation beschränkt wird,
in der das Lager noch nicht oder nur gering belastet ist. Sobald
sich nämlich
die Lagerlast erhöht
und damit auch der Fluiddruck erhöht wird, bewegt sich ein Abschnitt
der sich verformenden Membran zunehmend von dem Magneten weg, so
daß die
durch den Magneten auf die Membran ausgeübte Anziehungskraft sich ebenfalls
vermindert.
-
Dies ist bei den erfindungsgemäß verwendeten
Konfigurationen vor allem dann der Fall, wenn der Bereich sich im
wesentlichen auf der dem Rand gegenüberliegenden Seite der Stütze befindet.
-
Weitere Vorteile ergeben sich aus
der Beschreibung der beigefügten
Zeichnung.
-
Es versteht sich, daß die vorstehend
genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur
in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen
Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen
der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
-
1 eine äußerst schematisierte
Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels
eines Koordinaten-Meßgeräts mit einem
Rundtisch;
-
2 in
stark vergrößertem Maßstab und
im Schnitt eine Seitenansicht durch ein Teil eines erfindungsgemäßen Fluid-Drehlagers
mit einer radialen und einer axialen Lagerfläche, wie es bevorzugt in dem
Rundtisch des Koordinaten-Meßgeräts gemäß 1 eingesetzt wird;
-
3 eine
Darstellung, ähnlich 2, jedoch für eine andere
Bauform eines Fluid-Drehlagers mit kalottenförmiger Lagerfläche.
-
In 1 bezeichnet 10 insgesamt
ein Koordinaten-Meßgerät in Portalbauweise.
Ein Tisch 12 des Koordinaten-Meßgeräts 10 steht auf einem
Boden 14. Auf dem Tisch 12 ist ein Portal 16 angeordnet,
das mittels Führungen 18 entlang
einer horizontalen Achse verfahrbar ist, die üblicherweise als y-Achse bezeichnet
wird.
-
Auf einem oberen Querbalken 20 des
Portals 16 läuft
ein Schlitten 22, der in Richtung eines Pfeils 24 verfahrbar
ist. Dieser Pfeil 24 symbolisiert eine zweite horizontale
Achse, die üblicherweise
als x-Achse bezeichnet wird.
-
In dem Schlitten 22 läuft wiederum
eine Pinole 26 in Vertikalrichtung, wie mit einem Pfeil 28 angedeutet
ist, der eine dritte Achse, die sogenannte z-Achse, kennzeichnet.
Am unteren Ende der Pinole 26 befindet sich ein Taststift 30,
mit dessen freiem Ende ein Meßobjekt
abgetastet und damit vermessen werden soll, indem die vorstehend
genannten Elemente 16, 22 und 26 in y-,
x- und z-Richtung
verfahren werden.
-
Auf dem Tisch 12 befindet
sich ferner ein Rundtisch 32 mit einer Hochachse 34.
Der Rundtisch 32 ist mit einem Rundtischlager 36 versehen,
dessen Rotor um die Hochachse 34 verdrehbar ist, wie mit
einem Pfeil 38 angedeutet. Auf dem Rotor des Rundtischlagers 36 ist
ein Werkstück 40 befestigt,
dessen Oberfläche 42 mit
dem freien Ende des Taststiftes 30 abgetastet werden soll.
-
2 zeigt
in einer Schnittdarstellung Einzelheiten des Rundtischlagers 36.
-
Das Rundtischlager 36 weist
einen mit dem Tisch 12 starr verbundenen Stator 50 sowie
einen relativ zum Stator 50 um die Hochachse 34 verdrehbaren
Rotor 52 auf. Zwischen Stator 50 und Rotor 52 befindet
sich ein Lagerbereich 54. Der Lagerbereich 54 unterteilt
sich in einen Axiallager-Teil 56 sowie einen Radiallager-Teil 58.
-
Der Axiallager-Teil 56 umfaßt eine
erste Radialfläche 60 am
Stator 50 sowie eine zweite Radialfläche 62 am Rotor 52,
wobei die Flächen 60 und 62 zwischen
sich einen ersten Luftspalt 64 einschließen. Wenn
insoweit im Rahmen der vorliegenden Anmeldung von "Luftspalt" die Rede ist, so
steht dies nur beispielhaft für
einen Spalt, in dem sich auch ein anderes Medium als Luft, also
ein gasförmiges
oder ein flüssiges
Medium, befinden kann.
-
Die erste Radialfläche 60 wird
durch eine erste Membran 66 gebildet, die in der Draufsicht kreisringförmig ist
und deren Außenrand
mit 67a und deren Innenrand mit 67b bezeichnet
ist.
-
Auf der Rückseite der ersten Membran 66 befindet
sich ein erster Luftraum 68, der mit einem geringen Druck
beaufschlagt ist. Der erste Luftraum 68 ist vorzugsweise über eine
Leitung (nicht dargestellt) mit der Atmosphäre verbunden.
-
Die erste Membran 66 wird
vom Stator 50 über
zwei Stege 70a, 70b getragen, die in der Draufsicht
ebenfalls kreisringförmig
ausgebildet sind. Die Stege 70a, 70b befinden
sich im Abstand von den Rändern 67a, 67b.
Sie haben mechanisch gesehen die Funktion eines Kipplagers, um die
herum sich die erste Mem bran 66 verkippen kann, wenn sie
sich infolge bestimmter Druckverhältnisse verformt, wie noch
erörtert
werden wird.
-
2 zeigt
einen Kanal 72, der zu einer Öffnung 73 in der ersten
Membran 66 führt.
In der Draufsicht sind vorzugsweise wiederum mehrere Öffnungen 73 auf
einem Kreis verteilt, der sich um die Hochachse 34 herum erstreckt.
Der Kanal 72 ist an einen Versorgungskanal 74 angeschlossen,
der wiederum zu einem Anschluß 76 an
der Außenseite
des Stators 50 führt.
Dort ist mit 78 ein Pfeil zu erkennen, der eine Luftversorgung
andeuten soll.
-
Im ersten Luftraum 68 ist
die mittige Position, an der der Kanal 72 in die Öffnung 73 übergeht,
mittels einer elastischen Dichtung 80 abgedichtet, so daß Druckluft
(oder ein anderes Fluid) nicht aus dem Kanal 72 in den
ersten Luftraum 68 eindringen kann.
-
In der zweiten Radialfläche 62,
d.h. im Rotor 52, sind Dauermagnete 84a, 84b angeordnet.
Diese Dauermagnete 84a, 84b befinden sich beidseits
der Öffnung 73 und
vorzugsweise innerhalb des von den Stegen 70a, 70b begrenzten
Innenbereichs der ersten Membran 66. Auch hier gilt in
der Draufsicht, daß eine
Mehrzahl von Paaren von Dauermagneten 84a, 84b über den
Umfang der ersten Membran 66 verteilt angeordnet sind.
-
In 2 sind
mit 86 Feldlinien der Dauermagnete 84a, 84b angedeutet.
Die Feldlinien durchdringen die erste Membran 66, so daß eine Anziehungskraft
auf die erste Membran 66 ausgeübt wird.
-
Im Radiallager-Teil 58 des
Rundtischlagers 36 erkennt man in analoger Weise eine erste
Axialfläche 90 am
Stator 50 sowie eine zweite Axialfläche 92 am Rotor 52.
Die Flächen 90, 92 haben
jeweils zylindrische Gestalt. Sie schließen zwischen sich einen zweiten
Luftspalt 94 ein.
-
Die erste Axialfläche 90 des Stators 50 ist
als zweite Membran 96 mit Rändern 97a, 97b ausgebildet.
Hinter der zweiten Membran 96 befindet sich wiederum ein
zweiter Luftraum 98, der sich auf niedrigem Druck, besonders
auf Atmosphärendruck,
befindet. Die zweite Membran 96 wird von Stegen 100a, 100b gehalten,
die sich im Abstand von den Rändern 97a, 97b befinden.
Die Stege 100a, 100b haben im wesentlichen die
Form von Kreisringen, die sich um die Hochachse 34 herum
erstrecken, und sie dienen gleichfalls als Kipplager für die zweite
Membran 96.
-
Der Versorgungskanal 74 führt unmittelbar zum
zweiten Luftraum 98, von dem er jedoch über eine Dichtung 102 abgedichtet
ist. Er setzt sich dann zu einer Öffnung 103 fort, die
sich vorzugsweise mittig in der zweiten Membran 96 befindet.
Auch hier gilt, daß eine
Mehrzahl derartiger Öffnungen 103 über den
Umfang der zweiten Membran 96 verteilt angeordnet sein
können.
-
Die Wirkungsweise des Rundtischlagers 36 gemäß 2 ist wie folgt:
Im
Ruhezustand liegt der Rotor 52 auf dem Stator 50 auf,
so daß sich
die Radialflächen 60 und 62 berühren. Dies
liegt zum einen am Eigengewicht des Stators 50, zum anderen aber
auch an der Anziehungskraft der Dauermagnete 84a, 84b.
-
Wenn nun Druckluft über den
Anschluß 76 in den
Versorgungskanal 74 eingeleitet werden kann, strömt diese
durch den Versorgungskanal 74 und den Kanal 72 zu
den Öffnungen 73 und 103,
mit der Folge, daß sich
in beiden Luftspalten 64 und 94 ein Druck aufbaut.
-
Dieser Druck muß zunächst nur so groß sein, daß der Rotor 52 vom
Stator 50 abgehoben wird. Dabei muß dann nicht nur das Eigengewicht
des Rotors 52 überwunden
werden, sondern auch die Anziehungskraft der Dauermagnete 84a, 84b.
Dies stellt eine Vorspannung des Rundtischlagers 36 in
Axialrichtung, d.h. in Richtung der Hochachse 34, dar.
-
Wenn nun zusätzlich auf das Rundtischlager 36 eine
axiale Lagerlast einwirkt, wie bei 104 mit einem Pfeil
angedeutet, muß der
Druck im ersten Luftspalt 64 erhöht werden. Dies hat zur Folge,
daß die
erste Membran 66 sich in der Mitte, d.h. um die Öffnung 73 herum,
nach unten auswölbt,
während sich
die Bereiche an den Rändern 67a, 67b nach oben
wölben,
da die Stege 70a, 70b als Kipplager wirken. Damit
wird die Breite des ersten Luftspalts 64 in der Mitte vergrößert und
am Rand verkleinert. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß sich effektiv der
Abstand zwischen Stator 50 und Rotor 52 tendenziell
vergrößert, wobei
eine sich erhöhende
Lagerlast 104 diesem Effekt entgegenwirkt und damit eine
Selbstkompensation eintritt.
-
Die durch die Dauermagnete 84a, 84b ausgeübte Vorspannung
vermindert sich jedoch mit zunehmender Lagerlast 104, weil
sich der Luftspalt im Bereich der Dauermagnete 84a, 84b bei
zunehmender Lagerlast 104, damit zunehmendem Druck im ersten
Luftspalt 64 und sich daraus ergebender zunehmender Durchbie gung
der ersten Membran 66 vergrößert. Dies hat zur Folge, daß infolge
des sich vergrößernden
Abstandes zwischen den Dauermagneten 84a, 84b und
der ersten Membran 66 die Anziehungskraft abnimmt.
-
Im Radiallager-Teil 58 sind
die Verhältnisse weniger
kompliziert, weil dort nur den wesentlich geringeren radialen Kräften entgegengewirkt
werden muß.
-
Das Rundtischlager 36 kann
in diesem Betriebszustand bei einer bestimmten einwirkenden Lagerlast 104 reibungsfrei
gedreht werden. Die effektive Absenkung des Stators 50 auf
den Rotor 52 kann durch die vorstehend beschriebene Konfiguration
extrem klein gehalten werden, wozu sowohl die Ausbildung der ersten
Radialfläche 60 in
Form der ersten Membran 66 beiträgt wie auch die Vorspannung
mittels der Dauermagneten 84a, 84b. Insoweit handelt es
sich um voneinander unabhängige
Effekte, die sich jedoch in zweckmäßiger Weise ergänzen, insbesondere
wenn man die beschriebene Veränderung der
relativen Position der Elemente zueinander mit berücksichtigt.
-
Bei dem in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel hat ein Lager 106,
beispielsweise also wiederum ein Rundtischlager, eine kugelkalottenförmige Ausbildung.
-
Das Lager 106 ist um eine
Hochachse 108 drehbar. Es weist einen Stator 110 sowie
einen Rotor 112 auf, die miteinander einen gemeinsamen
Lagerbereich 114 bilden. Dieses ist als Kalottenlager 116 ausgebildet,
wobei es bevorzugt die Form einer Kugelkalotte hat, aber auch andere
Kalottenformen (Rotationsellipsoid, Rotationsparaboloid) denkbar
sind.
-
Innerhalb des Kalottenlagers 116 stehen
sich eine erste Kalottenfläche 118 am
Rotor 112 und eine zweite Kalottenfläche 120 am Stator 110 gegenüber. Diese
Flächen 118, 120 schließen miteinander
einen Luftspalt 122 ein.
-
Die statorseitige Kalottenfläche 120 ist
als Membran 124 ausgebildet, deren Ränder mit 125a, 125b bezeichnet
sind. Hinter der Membran 124 befindet sich wiederum ein
Luftraum 126, der sich auf niedrigem Druck, vorzugsweise
Atmosphärendruck, befindet.
-
Die Membran 124 ist im Abstand
von ihren Rändern 125a, 125b über Stege 128a, 128b mit
dem Stator 110 verbunden.
-
Ein Versorgungskanal 130 führt einer Öffnung 131 in
der Mitte der Membran 124 Druckluft zu. Der Versorgungskanal 130 steht
mit einem Anschluß 132 in
Verbindung, der seinerseits an eine Luftversorgung (Pfeil 134)
angeschlossen ist.
-
Auch hier ist eine Dichtung 136 vorgesehen, die
den Luftraum 126 druckmäßig vom
Versorgungskanal 130 trennt.
-
In die Kalottenfläche 118 des Rotors 112 sind Dauermagnete 138a, 138b eingelassen
und zwar in im wesentlichen symmetrischer Anordnung zur Öffnung 131 und
vorzugsweise innerhalb des von den Stegen 128a, 128b eingegrenzten
Bereichs der Membran 124.
-
Auch hier versteht sich, daß in einer
Draufsicht sowohl die Öffnungen 131 wie
auch die Dauermagnete 138a, 138b jeweils. mehrfach über einen Umfang
verteilt angeordnet sein können.
-
Die Wirkungsweise des Lagers 106 gemäß 3 entspricht grundsätzlich der
des Rundtischlagers 36 gemäß 2. Beim Lager 106 sind lediglich die
axialen und die radialen Komponenten der Lagerlast nicht mit speziellen
Lagerflächen
verknüpft,
sondern addieren sich vektoriell in den Kalottenflächen 118 und 120.