DE1425936B2 - Pneumostatisches lager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein pneumostatisches Lager gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges pneumostatisches Lager ist aus der US-PS 30 58 785 bekanntgeworden. Bei diesem bekannten Lager weist das als zylindrische Hülse ausgeführte äußere Lagerglied an seinen beiden Enden am Außenumfang elastische Dichtringe auf, die abdichtend mit dem Gehäuse zusammenwirken und ein Austreten von Luft aus dem Abstandsraum zwischen Gehäuse und äußerem Lagerglied vermeiden. Die durch einen Kanal von außen zugeführte Druckluft kann dann durch die Durchlässe des äußeren Lagergliedes hindurch in den Ringspalt eintreten, in dem die Welle gelagert ist. Die zwischen äußerem Lagerglied und Gehäuse angeordneten elastischen Dichtringe haben aufgrund ihres Aufbaus nur eine geringe und nicht kontrollierbare Dämpfungs- und Federungs-Wirkung, und darüber hinaus sind sie auch dort nicht anwendbar, wo ein solches Lager extremen Temperaturen oder aggressiven Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist. je härter die Einsatzbedingungen des Lagers sind, desto größer ist auch die Gefahr, daß an den Dichtringen unerwünschte Leckverluste auftreten. Um der Gefahr des sogenannten »halfspeed-whirl«, einem mit halber Geschwindigkeit erfolgenden Umlauf der Wellenachse. zu begegnen, ist bei dem bekannten Lager die Welle hohl ausgeführt, so daß sie sich bei gesteigerter Umlaufgeschwindigkeit unter dem Einfluß der Fliehkraft ausdehnen und den Ringspalt verkleinern kann. Aus der US-PS 13 37 742 ist ein anderes pneumostatisches Lager bekanntgeworden, bei welchem die zu lagernde Welle im Bereich der Lagerstellen konische Lageransätze hat, so daß sich konische Ringspalte ergeben, in welche das Schmiergas eingeführt wird. Die konischen Lageransätze haben gleiche Größe und sind einander entgegengerichtet, so daß sich die durch den Druck des Schmiergases darauf ausgeübten Kräfte ausgleichen.

Aus der DT-PS 2 04 336 ist ein Gleitlager mit balligem Lagerring bekanntgeworden, bei dem dieser Lagerring in einer äußeren Uml'angsnut eine Spiralfeder aufnimmt, die mit ihrem einen Ende am Lagerring und mit ihrem anderen Ende an einer den Lagerring aufnehmenden Lagerbuchse angebracht ist. Dabei liegt der Lagerring im übrigen zwischen zwei Scheibenkörpern der Lageranordnung, von denen der eine mittels Federkraft gegen den Lagerring gedrückt wird. Bei einer solchen Anordnung hat der Lagerring radiales Spiel und axiales Spiel und wird dabei jedoch durch die erwähnten Federn auf eine Mittelstellung zentriert. Dabei sorgen die scheibenförmigen Anlageflächen für eine Reibungsdämpfung etwa auftretender Schwingungen. Ein weiteres Beispiel für eine Reibungsdämpfung bietet die DT-PS 8 44 233.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem pneumostatischen Lager der eingangs genannten Gattung Vorkehrungen zu treffen, um die Betriebssicherheit und Lebensdauer des Lagers auch unter erschwerten Betriebsbedingungen mit Einwirkung von Hitze und extremen Umgebungsbedingungen zu erhöhen und insbesondere zu gewährleisten, daß unerwünschte Schwingbewegungen der Welle, die zu einem Fressen des Lagers führen könnten, zuverlässiger ausgeschaltet werden.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus dem Kennzeichenteil des Patentanspruches.

Zum Stande der Technik ist dabei noch zu bemerken, daß die FR-PS 1149 748 und die US-PS 29 77 109 bereits hohle Federnanordnungen offenbart haben, die ein Druckmittel enthalten. Bei der französischen Veröffentlichung handelt es sich um zwei Paare von Balgfedern, die jeweils an den Ecken einer Platte in Reihe angeordnet sind und die Platte zwischen sich aufnehmen, wobei die an der einen Ecke unten befindliche Balgfeder über eine Leitung mit der an der anderen Ecke oben befindlichen Balgfeder kommuniziert. Auf diese Weise kann ein gewisser Druckausgleich des Druckmittels erfolgen. Bei der amerikanischen Veröffentlichung handelt es sich um eine für Gasturbinen od. dgl. zu verwendende Schraubenfeder, die zwischen zwei Platten eingeschaltet ist und mit ihren Enden Anschluß an einen Pumpkreislauf für ein Kühlmedium hat. Eine solche Feder kann also unterhohen Temperaturen eingesetzt werden, da sie ständig gekühlt wird.

Die mit der vorliegenden Erfindung getroffene Merkmalsvereinigung ist durch keine der zahlreichen zum Standeder Technik angezogenen Veröffentlichungen vorweggenommen oder nahegelegt worden. Dabei wirken die einzelnen Merkmale der Merkmalsvereinigung in vielfältiger Weise miteinander zusammen und führen zu einer hervorragenden Betriebszuverlässigkeit und Lebensdauer des pneumostatischen Lagers. Das Lager gestattet es, den tragenden Gasfilm, die tragenden Federn und die Reibungsberührung zwischen äußerem Lagerglied und Gehäuse sorgfältig aufeinander abzustimmen, so daß die Gefahr unerwünschter Schwingbewegungen nicht gegeben ist.

Die besondere Ausgestaltung und Anordnung der Federn sorgt aber nicht nur für eine genau bemeßbarc Abfederung, sondern sie ermöglicht es zugleich, diese Federn auch zur Durchleitung des Schmiergases zu benutzen, so daß der durch den Abstand zwischen äußerem Lagerglied und Gehäuse gegebene Zwischenraum nun keiner Abdichtung durch empfindliche Dichtringe mehr bedarf. Hohe Temperaturen und aggressive Umgebungsbedingungen können also nicht mehr schädigend wirken. Dabei kommt hinzu, daß der Fortfall von Dichtungsringen nicht nur für eine gleichmäßigere und genauer bemeßbare Abfederung sorgt, sondern auch unerwünschte Leckverluste an den

Dichtringen vermeiden läßt. Mit dem äußeren Lagerglied wirken die Federn im übrigen nicht nur durch ihre Federwirkung und als Schmiergaszuleitungen zusammen, sondern sie sorgen zugleich auch für eine gute Sicherung des äußeren Lagergliedes gegen unerwünschte Drehung. Mit der vorliegenden Erfindung ist somit ein pneumostatisches Lager geschaffen worden, welches unter den verschiedensten Betriebsbedingungen zuverlässig und langzeitig arbeitet, dabei im übrigen aber auch von einfachem Aufbau ist. Das pneumostatisehe Lager nach der Erfindung eignet sich im übrigen auch für Präzisionsanwendungen, bei denen es auf einen besonders regelmäßigen und genauen Wellenumlauf ankommt.

Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung anhand von Zeichnungen. Darin zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Grundform eines pneumostatischen Lagers mit Veranschaulichung eines Teiles der Erfindungsmerkmale,

F i g. 2 einen Querschnitt durch das in F i g. 1 gezeigte Lager gemäß der Linie 2-2,

Fig.3 eine Schnittdarstellung eines Teiles eines pneumostatischen Lagers zur Veranschaulichung weiterer Erfindungsmerkmale und

Fig.4 eine Schnittdarstellung eines ähnlichen Teiles eines pneumostatischen Lagers gemäß einer weiteren Ausführungsmöglichkeit.

Die F i g. 1 zeigt ein pneumostatisches Lager 10. Das Lager hat ein nicht umlaufendes, äußeres Gehäuse 12 mit einem mittleren Durchgang 14, der eine Rotationsfigur um die Lagerachse 16 ist. Zu der Lagerachse 16 ist weiterhin eine umlaufende Welle 18 winkelsymmetrisch angeordnet, die aus einem Mittelteil 20, einem konischen Drehkörper 22 und einem gegenüberliegenden, hinteren konischen Drehkörper 24 besteht. Die Welle 18 kann ein zusammengesetzter Körper sein, bei dem der Mittelteil 20, die konischen Drehkörper 22 und 24 und ein Schwungrad 26 alle mittels zweier Maschinenmuttern 28 und 30 auf einer mittleren Spindel zusammengehalten werden. Das als Schwungrad bezeichnete Teil 26 kann auch als eine schematische Darstellung der Belastung des Lagers angesehen werden.

Der gegenüber dem konischen Drehkörper 22 angeordnete konische Drehkörper 24 ist im wesentlichen genauso ausgestaltet, kann aber andere Steigung haben. Dabei sind auch Mittel zur Steuerung der Axiallage der Welle vorgesehen. Diese bestehen in einer Wirkfläche 92 eines den konischen Drehkörper 24 umgebenden äußeren Lagergliedes 70. Die Wirkfläche 92 liegt in einem Steuerraum 88, der Gas über eine Leitung 84 zugeführt bekommt.

In dem Rahmen oder Gehäuse 12 befindet sich ein äußeres Lagerglied 32 mit einem mittleren Durchgang 34. Dieser mittlere Durchgang ist eine Rotationsfigur um die Lagerachse 16 und besitzt eine konische Lagerfläche 36, deren Divergenzwinkel in bezug auf die Lagerachse 16 dem Divergenzwinkel der Oberfläche des konischen Drehkörpers 22 gleich. Die beiden Oberflächen definieren einen ringförmigen Zwischenraum oder Ringspalt 64, der zur Aufnahme eines dünnen Gasschmierungsfilmes dient. Beide Flächen sollten verhältnismäßig glatt und gut zentriert sein, bedürfen aber keiner Feinpolierung.

Das sich nicht drehende äußere Lagerglied 32 befindet sich in einer zylindrischen Bohrung 38 des Gehäuses, die konzentrisch zu der Lagerachse 16 verläuft. Das äußere Lagerglied 32 wird in der Bohrung 38 von mehreren radial angeordneten Stützfedern 40 getragen. Diese sind, wie durch die Schraubkappe 48 in der Gewindebohrung 46 angedeutet, verstellbar. In der später im einzelnen anhand der Fig.3 und 4 bei den Federn 160, 168 gezeigten Weise sind die Federn auch als Gaszuführungen und Drehsicherung für Welle 18 ausgestaltet.

Die Fig. 1 zeigt diese Merkmale nicht, sondern veranschaulicht lediglich eine Vorstufe mit teilweise verwirklichten Erfindungsmerkmalen, auf deren Grundlage der insgesamt beanspruchte Erfindungsgegenstand entwickelt worden ist.

Die verstellbare Anordnung der Stützfedern 40 bietet eine große Wandelbarkeit des Lagers hinsichtlich der radialen Ausrichtung des nicht umlaufenden Gehäuses 12 und des Lagers 32 sowie der Größe der Vorspannung der Stiitzfedern 40. Zur Dämpfung radialer Schwingbewegungen ist eine axial verlaufende Ringschulter 52 vorgesehen, die von dem äußeren Lagerglied 32 vorsteht und sich in reibender Berührung mit dem inneren Ende der zylindrischen Bohrung 38 des Gehäuses 12 befindet. Die zwei bei 54 gezeigten Kolbenringe können für eine zusätzliche Coulombsche Dämpfung für die radiale Schwingbewegung des äußeren Lagergliedes 32 sorgen, erübrigen sich aber möglicherweise bei Ausführung der Federn 160, 168 gemäß Fi g. 3 und 4.

Dann kann man auch den Verriegelungsstift 56 fortlassen, der in Fi g. 1 durch einen Teil des Gehäuses 12 in eine an der äußeren Zylinderfläche des Lagers 32 angebrachte Halteausnehmung 58 vorsteht.

Das Schmiergas wird dem Lager durch eine Einlaßleitung 60 zugeführt. Wie das Gas aus der Leitung 60 über die hohlen Federn 160, 168 in den Ringspalt 64 zwischen äußerem Lagerglied 32 und Welle 18 gelangt, ist wie erwähnt in F i g. 3 und 4 veranschaulicht.

Gemäß F i g. 3 ist die Einlaßleitung 60 in eine durch die Schraubkappe 48' hindurchgehende Bohrung eingepaßt. Die Schraubkappe 48' ist ihrerseits in die Bohrung 46' eingeschraubt. Zwischen die Schraubkappe 48' und das nicht umlaufende äußere Lagerglied 32 ist ein elastischer Balg 160 eingepreßt, dessen untere Fläche 161 abdichtend an einem Flansch 162 einer starren Leitung 163 anliegt. Diese ist mit einem im Durchmesser verkleinerten Teil 164 abdichtend in einen Kanal 66 und einen Gasdurchlaß 68 des äußeren Lagergliedes eingesetzt. Der Flansch 162 und die Leitung 163 sind offen und stellen eine unmittelbare Verbindung zwischen dem Inneren des Balges 160 und dem Ringspalt 64 für den Gasfilm her, und zwar über Kanalbohrungen 66 des äußeren Lagergliedes 32.

Der Balg hat in dem Gehäuse ringsherum Spiel, so daß das nicht umlaufende Lager sich zur Aufrechterhaltung der richtigen Gasfilmstärke axial bewegen kann.

Bei der Ausführungsform gemäß F i g. 4 ist eine hohle Schraubenfeder 168 benutzt, die sowohl das nicht umlaufende äußere Lagerglied 32' in dem Gehäuse abstützt als auch das Schmiergas unmittelbar in den Lagerspalt einführt. Bei dieser Ausführungsform ist die hohle Feder 168 zwischen der Schraubkappe 48' und dem nicht umlaufenden Lager 32' eingepreßt. Die hohle Feder 168 endet (bei 170a,) in einer Bohrung 170, die unmittelbaren Anschluß an den Lagerspalt 64 zwischen dem äußeren Lagerglied 32' und dem Drehkörper 22 der umlaufenden Welle hat.

Im Betrieb des Lagers sorgt der Druck des Schmiergases wegen der konischen Gestalt des Ringspaltes 64 auch für einen Anpreßdruck zwischen

der Ringschulter 52 des äußeren Lagergliedes und der benachbarten achsnormalen Fläche des Gehäuses 12.

Um die Gefahr eines Anfressens, beispielsweise aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungen, weiter zu verringern, werden die Hauptteile der Vorrichtung aus dem gleichen Werkstoff hergestellt.

Die F i g. 2 ist ein auf der linken Seite durch die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung gelegter Schnitt. Die Stützfedern 40 bzw. die Federn 160 bzw. 168 sind in dem Gehäuse 12 in Winkelrichtung gleichmäßig verteilt, um das nicht umlaufende äußere Lagerglied 32 radial in dem nicht umlaufenden Gehäuse abzustützen und auszurichten.

Unter Bezugnahme auf F i g. 1 sei auseinandergesetzt, wie die Coulombsche Reibung zwischen der Schulter 52 des nicht umlaufenden äußeren Lagergliedes 32 und dem inneren Ende der Bohrung 38 des Gehäuses 12 indirekt durch den Gasdruck in dem Steuerraum 88 aufrechterhalten wird:

Der Gasdruck in dem Steuerraum 88 versucht das rechte äußere Lagerglied 70 nach rechts zu drücken, wodurch der Gasdruck in dem Gasfilmspalt 79 gesteigert wird. Das führt wiederum dazu, daß die umlaufende Welle nach rechts gedruckt wird (bezogen auf die Zeichnung). Wenn die Welle so unter Druck gesetzt wird, dann läßt der Gasdruck in dem den Drehkörper 22 umgebenden Ringspalt 64 das nicht umlaufende äußere Lagerglied 32 nach rechts gehen, so daß die Ringschulter 52 in Reibungsberührung mit dem Gehäuse 12 gehalten wird. Bisher noch nicht erwähnt wurde eine Auslaßleitung 98, durch die bei Bedarf ein nicht benötigter Gasdruck aus dem mittleren Teil der Vorrichtung ausgelassen werden kann. Auf diese Weise wird die richtige Richtung und Größe des Schmiermittelstromes aufrechterhalten.

Zur Betriebsweise sei folgendes ausgeführt: Wenn die umlaufende Welle 18 sich um ihre Achse 16 dreht, dann kommt der Filmdruck in den Spalten 64 und 79 schmierend zur Wirkung. Auf diese Weise wird die umlaufende Welle in Abhängigkeit von der Größe der Belastung, dem hydrostatischen Druck und anderen durch die Umgebung bedingten Betriebsbedingungen gegen die Schwerkraft abgestützt. Wenn die Umlaufgeschwindigkeit steigt, dann steigt auch der Gasfilmdruck und es erfolgt eine stärkere Abstützung.

Bei der erläuterten Ausgestaltung werden unerwünschte Wellenschwingungen durch Dämpfung verhindert.

Die Reibungsberührung des nicht umlaufenden äußeren Lagergliedes 32 wird durch den schmierenden Gasfilm auf die umlaufende Welle übertragen. Das geschieht in der folgenden Weise: Wenn die umlaufende Welle mit ihrer radialen Schwingbewegung beginnt, dann wird auch das nicht umlaufende äußere Lagerglied 32 durch die Kupplungswirkung des schmierenden Gasfilmes in eine radiale Schwingbewegung versetzt. Diese radiale Schwingbewegung ist dem nicht umlaufenden äußeren Lagerglied 32 aufgrund seiner federnden Aufhängung möglich. Bei der radialen Schwingbewegung steht das äußere Lagerglied 32 aber in Reibungsberührung mit dem festen Gehäuse. Die Dämpfung der radialen Schwingbewegung des äußeren Lagergliedes 32 wird durch den Schmiergasspalt 64 in die schwingende Welle 18 zurückgegeben, so daß die Schwingungen der Welle indirekt, aber wirkungsvoll gedämpft werden. Die federnd schwebende Anbringung des nicht umlaufenden äußeren Lagergliedes 32 verhindert auf zwei Weisen eine metallische Berührung mit der umlaufenden Welle: Wenn die schwingende Welle sich dem äußeren Lagerglied 32 nähert, dann bewegt der Druck des Gasfilmes das äußere Lagerglied 32 in der gleichen Richtung, so daß die umlaufende Welle also eine gewisse radiale Bewegungsfreiheit hat, ohne daß die Spaltbreite wesentlich verändert wird. Zum anderen wird die radiale Schwingbewegung der umlaufenden Welle 18 durch die in der oben beschriebenen Weise an die Welle weitergegebene Coulombsche Reibung behindert und gedämpft.

Die Regulierbarkeit der Druckhöhe in dem Steuerraum 88 sorgt für eine größere Vielseitigkeit und Wandelbarkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Der Druck kann so eingestellt werden, daß er sich am besten der Gleichgewichtsstörung und der auf die Vorrichtung einwirkenden Belastung anpaßt, und bei Bedarf kann man ihn auch so steuern, daß er Resonanzwirkungen am besten ausgleicht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Pneumostatisches Lager für eine Welle mit einem Gehäuse, in welches mit radialem Abstand gedämpft abgefedert ein äußeres Lagerglied eingesetzt ist, welches seinerseits Gasdurchlässe zu einem gasgefüllten Ringspalt aul weist, in dem die Welle gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt (64) wenigstens teilweise konisch verläuft (bei 36) und das äußere Lagerglied (32) zur Dämpfung radialer Schwingbewegungen vermittels des Gasdruckes in Reibungsberührung (bei 52) mit einer achsnormal verlaufenden Fläche am Gehäuse (12) gedrängt ist, wobei zur radialen Abfederung des äußeren Lagergliedes in ihrer Vorspannkraft einstellbare hohle Balg- oder Schraubenfedern (160, 168) vorgesehen sind, welche einen Teil der Gaszufuhrleitung zum Ringspalt bilden und an die Gasdurchlässe (68) mit zugleich als Drehsicherung für das äußere Lagerglied dienenden Ansätzen (164, 170;j) angeschlossen sind.