DE1575377A1 - Spaerisches Gleitlager - Google Patents

Description

DK 4811/1

Sphärisches Gleitlager Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf die Ausbildung der Lager solcher Maschinen, deren Rotor gegen magnetische Kräfte axial zum Gegenmagnet hin abgestützt wird. Solche Lager, wie sie beispielsweise bei Magnetkupplungen vorkommen, bereiteten bisher grosse Schwierigkeiten, denn das Lager muss sowohl radiale Kräfte und diese auch noch in der Regel auf sehr kurzen Lagerlängen und damit hohe Kantenpressungen erzeugend, aufnehmen, als auch bedeutende Axialkräfte auffangen. Es sind auch sogenannte Pinollager bekannt geworden, bei denen beide Belastungskomponenten auf der Mantelfläche eines Kegelabschnittes abgestützt werden. Auch diese Lagerausbildung ist nicht befriedigend, da die örtliche Lagerbelastung sehr viel grosser wird als der jeweiligen Normalkraft entspricht, denn die Kräfte werden nicht in Richtung ihrer zugehörigen Vektoren aufgefangen, sondern wirksam wird der normal zur Mantelfläche verlaufende Vektor.

Es sind weiterhin Lager, z. B. zur Lagerung von Kompasssystemen bekannt geworden, bei denen eine ballig gerundete Spitze in einer Pfanne mit grösserem Krümmungsradius abgestützt wird. Diese Lager eignen sich jedoch nur für sehr kleine Geschwindigkeiten und sind nicht in der Lage, grössere radial gerichtete Kräfte aufzunehmen.

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Das gleiche gilt für sogenannte "Uhrenlager¹¹, bei denen ein kugelballiges Ende einer Welle in einer Pfanne aus Halbedelstein geführt wird. Diese Lager ermöglichen zwar sogar Trockenlauf, jedoch wiederum nur bei extrem kleinen Geschwindigkeiten.

Ziel der Erfindung ist es, ein Lager zu schaffen, welches keinerlei Wartung bedarf und gegebenenfalls auch gegen abrasive Substanzen unempfindlich ist und welches eine Ve.rschwenkbarkeit um alle in der Rotationsebene liegenden Achsen ermöglicht.

Das erfindungsgemässfLager besteht aus einem konvexen Lagerteil, das in der Regel als auf einer Unterstützungssäule befestigten Kugel ausgebildet ist und einem konkaven Gleitstein, dessen Ausnehmung etwa den gleichen Krümmungsradius wie die Kugel aufweist und sich über einen Kugelabschnitt erstreckt, dessen Höhe kleiner oder im Grenzfalle gleich dem Kugelradius ist.

Gleitlager bestehen in der Regel aus einer Paarung eines harten Werkstoffes mit einem Werkstoff, der so weich ist, dass harte Schmutzteilchen in diesem eingebettet werden. Diese Lagerart ist jedoch bei grossem Schmutzanfall ungeeignet, da durch die Einbettung die Homogenität der Oberfläche verlorengeht. Es sind aber auch Lager bekannt geworden, bei denen beide Partner aus so hartem Werkstoff bestehen, dass Schmutzteile nicht eindringen können, sondern zer-

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quetscht bzw. zerdrückt werden. Diese Lagerart ist gegen Schmutzteilchen nicht anfällig, so lange diese in der Härte unterhalb der Lagerhärte liegen. Es scheint nun naheliegend zu sei η , beide Partner aus Werkstoffen extremer Härte, fffie Hartmetall, Hartchrom oder Sinterrubin, herzustellen. Die Praxis zeigt jedoch, dass auch bei Verwendung .!ieser zu den härtesten Stoffen gehörenden Werkstoffe keine herkömmlichen Lager gebaut werden können, die bei Trockenreibung eine vertretbare Lebensdauer aufweisen. Dies ist offensichtlich nur bei flüssiger Reibung möglich.

Der physikalische Mechanismus der Flüssigkeitsreibung unterliegt der Beziehung yryu - U L

In dieser Gleichung bedeutet

P = spezifische Flächenbelastung

Λΐ ³ absolute Viskosität des Schmiermittels U = die örtliche Relativgeschwindigkeit

L = die tragende Länge in Richtung der Bewegung h = Abstand der Gleitflächen

Aus obiger Gleichung geht hervor, dass der Abstand der Gleitflächen von ausschlaggebender Wichtigkeit ist. Wird dieser Abstand nur klein genug, so lässt sich mit jedem hydraulischen Medium, also auch

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beispielsweise mit heissem Wasser oder gar mit Luft eine reine · Flüssigkeitsreibung verwirklichen. Allerdings liegen bei hoher Flächenbelastung und beispielsweise heissem Wasser als hydraulischem Medium die Beträge für diesen Abstand im Bereich von wenigen Mikron und bei Verwendung von Luft sogar bei (X Beträgen, die unterhalb der Lichtwellenlänge liegen können. Für derartige Präzisionen stehen wirtschaftliche Werkzeugmaschinen nicht zur Verfügung, auch versagen unterhalb der Lichtwellenlänge optische Mess- und Verglei chsmethoden.

Die Erfindung lehrt nun, wie sich dennoch Abstände extrem kleiner Beträge bei sehr geringen Kosten erzielen lassen.

Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass sich beim Schleifen optischer Linsen au ss er ordentliche Genauigkeiten hinsieht der geometrischen Formtreue dadurch erzielen lassen, dass das umlaufende Werkstück durch Schleifkörper bearbeitet wird, die ihrerseits eine Oszillation von Meridianen durchführen, so dass sich wellenförmige und statistisch niemals zusammenfallende Schleifbahnen ergeben. Von dieser Überlegung ausgehend, hat der Erfinder versucht, sphärische Lager für Nicht-Schmierstoffe ausreichend hoher geometrischer Formtreue der gegeneinander gleitenden Flächen dadurch zu erzielen, dass

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konkave und konvexe Flächen relativ zueinander nicht nur drehend bewegt werden, sondern auch eine überlagernde oszillierende Schwenkbewegung erfolgt.

Das Ziel war die Schaffung aufeinander eingeleppter Gleitflächen durch gegenseitigen Abtrag der konkaven und konvexen Flächen. Die Untersuchungen zeigten jedoch, dass sich auf diese Art auch bei Verwendung gleich harter Werkstoffe keine geometrisch exakten Formen erzielen lassen. Es wurde gefunden, dass sich ein sicheres und einwandfreies Einleppen verwirklichen lässt, wenn die konvexe Oberfläche bereits eine Fläche zweiter Ordnung, also eine geometrisch«: exakte Kugel bildet» In diesem Falle liegen bei Beginn des Einschleifvorganges in der Regel nur drei Punktbereiche der konkaven Gegenfläche auf der Kugeloberfläche auf. Da diese Punkte eine extrem hohe spezifische Flächenpressung haben, tragen sie sich schnell ab, während sich der Abrieb auf der Kugelfläche auf einen Kugelabschnitt verteilt, dessen periphere Breite oder Oszillationsamplitude entspricht, so dass der Abrieb an der konkaven Fläche praktisch Null ist. Die ursprünglich aufliegenden Punkte werden schnell zu Flächen, die immer grosser werden und ein auss er ordentlich exaktes Abbild der erzeugenden Fläche bilden, so dass der verbleibende Spalt gegen Null geht. Die Kontaktflächen vergrössem sich stetig, bis sie einen Wert erreicht haben, bei dem BiBC bei Luftschmierung nur noch Flüssigkeitsreibung verbleibt.

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Von diesem Stadium ab hört jeder Verschleiss auf. In Verbindung mit der Fähigkeit, jede Art von Schmutzteilchen zu zerspanen, wird ein erfindungsgemässes Lager zu einem praktisch unverschleissli chen und gleichzeitig schmutzunempfindlichen wartungsfreien Lager. Die Erfindung sieht vor, solche Lager überall dort einzusetzen, wo bs ein Maschinenelement nur der Abstützung bedarf und Kräfte erfährt, die bestrebt sind, es innerhalb eines vorgegebenen Schwenkbereiches annähernd in der Rotationsebene zu halten. Dabei ist es der Ausführung der Erfindung dienlich, wenn die Taumelaplitude möglichst gross ist,und die Erfindung schlägt vor, diese künstlich zu vergrössern. Erfindungsgemäss sind deshalb die verschiedenen Lager vorzugsweise für Maschinen einsetzbar, in denen betriebsmässig die Rotoren eine Verschwenkung erfahren. Dies ist z.B. bei Schleif- und Poliergeräten, vor allem aber auch bei Pumpen, die stets turbulente Anströmung haben, und bei Gebläsen der Fall.

Die Erfindung erfordert, dass die konkave Fläche bereits beim Einbau geometrisch exakt ist. Dies wird in an sich bekannter Weise durch von der Herstellung von Kugellagerkugeln bekannten Verfahren Jes Spitzenlosschleifens erreicht. Bei diesem Verfahren arbeiten zwei versetzte Scheiben gegeneinander, jqnt von denen mindestens eine eine Schleifscheibe ist.

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Dabei ist es nicht notwendig, Vollkugeln zu verwenden. Erfindungsgemäss können auch Kugelabschnitte, vorzugsweise Halbkugeln, während des ScMe if vor gange s zu einer Vollkugel zusammengefasst und später wieder getrennt werden«

Mit dieser bekannten Methode lassen sich für die konvexe Fläche geometrische Genauigkeiten erzielen, die bei konkaven Flächen nicht möglich sind. Während Gleitlager im Maschinenbau formschlüssig eingebaut sind, sieht die Erfindung vor, die beschriebenen neuen Gleitlager kraftschlüssig einzubauen. Anhand der Figurenbeschreibung soll die Erfindung weiterhin erläutert werden.

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Figurenbeschreibung

In Figur 1 ist ein Handpoliergerät mit erfindungsgemässem Lager, vorzugsweise for Automobile, gezeigt. Im Gehäuse 1 befindet sich ein Stator 2, der aus einem Blechband von weichem Eisen aufgewickelt ist und am Umfang Nuten enthält, durch welche die Spulen 4 hindurchgelegt sind. Durch eine sehr dünne Wand 5 aus einem nicht-magnetischen! Werkstoff ist der elektrische Teil der Maschine nach aussen hin geschützt. Durch den Griff 6 führt das Kabel 7. Auf dem Stift S 8 ist eine Kugel 9 gelötet. Der umlaufende Teil besteht aus dem Anker 10 und der Polierscheibe 11. Die Lagergleitfläche wird durch die Pfanne 12 mit einer konkaven Vertiefung erzeugt. Durch den Ring 13 wird verhindert, dass der Anker 10 bei abgeschaltetem Motor wegfällt, wenn er nach unten weist. Im Betrieb dagegen wird der Anker 10 durch die axiale Komponente 14 der magnetischen Kräfte festgehalten. Dabei sind die magnetischen Kräfte so gross, dass sich Haftkräfte, die vor allem beim Nasspolieren auftreten, nicht zu einem Abheben des Rotors führen. Der Schwenkwinkel wird durch den Abstand des Rohrs 15 vom Stift 8 begrenzt. Die Pfanne 12 wird vorzugsweise so vorgeschliffen, dass sie in ihrem Durchmesser dem Kugeldurchmesser entspricht. Die Ausbildung der sphärischen Gleitfläche erfolgt dann nach und nach. Zur ■Verbesserung der Einlaufe ige ns chaf ten kann das Lager mit einer Paste aus Molybdändisulfid und Borkarbid gefüllt sein. Nach dem endgültigen Einlaufen HfaKxesKgk erübrigt sich jede Schmierung und Wartung. Als

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Werkstoff für die Kugel ist Hartmetall vorgesehen, da sich dieses durch ein Lot 16, das in eine Vertiefung eingelegt ist, vorzugsweise im Schutz-. gas, verlöten lässt.

Figur 2 zeigt ein Mischgefäss 20, in dessen Boden eine halbkugelförmige Ausbuchtung 21 vorgesehen ist. Im Nadir der Ausbuchtung ist ein Stift 8 befestigt, mit dem eine Kugel 9 durch Verlöten verbunden ist. Die Kugel ragt in eine Pfanne 12 hinein. Die Pfanne ist in einem magnetischen Anker 25 eingepresst, der einen Schaufelkranz 26 trägt. Der Antrieb erfolgt durch den Motor 27, der eine Radscheibe 28 antreibt, auf der sich nach innen KonkaverPermanent-Magnetring 29 befindet, welcher lateral magnetisiert ist.

Figur 3 zeigt einen Stator 2 mit auf einer Kugelfläche endenden Polen 31. Der Stift 8 trägt die Kugel 9, die in die Pfanne 12 hineinragt. Der Magnetanker 25 ist mit dem Schaufelgitter 26 eines Tangentialgebläses fest verbunden . Die geometrische Gebläseachse 30 kann relativ zur Ebene des Stators 2 schwenken.

Figur 4 zeigt ein erfindungsgemässes Lager mit einer Kugel 9 aus Hart metall, die durch ein Lot 16 mit dem Hohlniet 40 verlötet ist. Die Pfanne besteht aus Sinterkorund oder Hartmetall und weist einen kegeligen Bereich 41 auf. Der Berührungslinie ist ein öffnungswinkel 43 von weniger als 180 zugeordnet.

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Figur 5 zeigt eine Kugel, bestehend aus zwei Halbkugeln, die durch Weichlöten, Kleben oder durch einen Gewindestift 50 miteinander verbinden sind, damit ein spitzenloses Schleifen möglich ist.

Figur 6 zeigt eine Kugel 9 mit Pfanne 12, bei der ein Bereich CO ausgenommen ist, damit keine Reibung im singulären Punkt auftritt. Eine Dichtung 61 aus vorzugsweise elastischem Werkstoff wird durch eine Zarge 62 festgehalten und verhindert das Eintreten von Schmutzteilchen.

Erfindungsgemäss kanrjder Raum 60 mit Fett gefüllt werden.

Figur 7 zeigt eine ähnliche Ausführung mit einer Dichtung 70 aus Gummi unter Verwendung einer Halbkugel 71 gemäss Figur 5. Der verbleibende Raum 72 kann mit einem Trockenschmiermittel gefüllt werden.

Figur 8 zeigt eine Ausbildung mit einer durchbohrten Kugel 9 aus Sinterrubin, die nach Metallisierung mit dem Hohlkörper 80 unlösbar verbunden ist. Im Raum 81 ist eine Folie 82 sternförmig verformt eingelegt und schützt die Schmierstoffüllung, vorzugsweise in sehr zähflüssiger Konsistenz gegenüber dem umgebenden Medium. Dieses Lager ist bevorzugt für Pumpen gedacht, wobei sich das Lager selbst im Saugbereich und der Vorrat 81 im Druckbereich befindet, so dass ständig ein kleiner Überdruck auf der Folie 82 wirksam wird.

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Figur 9 zeigt eine Kugel für ein Lager gemäss Figur S 8, die einen kegeligen Hohlraum aufweist, der durch einen genau passenden, eingeklebten Stopfen 90 während des Spitzeniosschleifens gefüllt wird.

Figur 10 zeigt ein Lager, insbesondere für Luft- und Heisswasserbetrieb. Auf der Kugel 9 befindet sich eine Gleitscheibe 100, die durch einen Gummiring 101 gegen die Kugel gedichtet ist und durch eine Schraubenfeder 102, die von einem stationären Ventilteller getragen wird, gegen die Kugel gepresst wird. Die Pfanne 104 kann als Tiefziehteil, z.B. aus Aluminiumblech durch anodisches Oxidieren eine harte Oberfläche erhalten.

Figur 11 zeigt eine Ansicht des Ringes 110 von unten her gesehen. In diesem Ring sind Schräg- oder Spiralnuten sehr geringer Tiefe so angeordnet, dass sie in Drehrichtung gesehen, nach ioeri innen verlaufen.

Figur 12 zeigt eine ähnliche Ausbildung wie Figur 10, wobei jedoch der zur Förderung des hydraulischen Schmiermediums dienende Körper als Zylinder ausgebildet ist. Die Pfanne 121 ist ebenfalls im oberen Bereich zylindrisch ausgebildet. Auf einem der beiden zylindrischen Flächen sind wiederum nach innen verlaufende Spiralnuten angeordnet.

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Figur 13 zeigt ein Lager, bei welchem die Kugel 9 durch zwei konkave Ringe 130 und 131 eingefasst ist. Diese Ringe werden durch die Wandung Ϊ32 und die Membrane 133 axial zusammengepresst. Der Durchmesser 134 des Sitzes in der Membrane ist grosser als der Durchmesser des Ringes 130, so dass sich dieser nur durch die Kugel einstellt.

Im Raum 135 befindet sich Schmierstoff, z.B. ein mit Öl getränkter

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Claims (1)

1. Anspruch 1

   Sphärisches Lager, bestehend aus einer Säule mit halbkugelförmiger konkaver oder konvexer axialer Begrenzungsfläche und einer komplementär zu dieser Fläche ausgebildeten Gleitfläche eines Rotors, dadurch gekennzeichnet, dass die konvexe Fläche durch einen Körper gebildet wird, der zumindest als Teil einer Kugel in an sich bekannter Weise durch spitzenloses Schleifen zwischen zwei Scheiben, von denen mindestens eine eine Schleifscheibe ist, hergestellt wird, wobei der Rotor betriebsmässig gegen die Säule gedruckt wird und im Betrieb Störkräfte erfährt, die zu einer Taumelbewegung des Rotors um den Mittelpunkt des der kugeligen Begrenzungsfläche zugeordneten Mittelpunktes führt, so dass die Gleitwege beliebiger Auflagepunkte der konkaven Fläche Wellenlinien auf der Oberfläche des konvexen Teiles bilden und dass die aufeinander gleitenden Oberflächen aus einem Werkstoff bestehen, der härter ist als die Härte zu erwartender Schmutzteilchen.

   988 -/07SS