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Die Erfindung bezieht sich auf eine Druckluft turbine für den direkten
Antrieb eines Werkzeuges, insbesondere für zahnärztliche Bohrgeräte, mit einem in
einem Stator luftgelagerten Rotor, dessen Lagerabschnitte entgegengesetzt kegelstumpfförmig
ausgebildet sind, wobei für die Zuführung von Druckluft radiale Kanäle im Bereich
der Rotorlagerabschnitte im entsprechend ausgebildeten Stator vorgesehen sind.
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Luft- bzw. Gaslager sind auf verschiedenen Gebieten der Technik bereits
bekannt, insbesondere zur Lagerung von mit sehr hoher Drehzahl umlaufenden Teilen.
Die USA.-Patentschrift 1337742 zeigt ein Luftlager, dessen Lagerabschnitte in einem
Abstand voneinander entgegengesetzt kegelstumpfförmig ausgebildet sind, wobei etwa
in der Mitte der konischen Lagerflächen durch einen Kanal im feststehenden Lagerteil
Druckluft eingeleitet wird, die sich in einem dünnen Film Zwischen den Lagerflächen
verteilt. Derartige Luft- bzw. Gaslager neigen jedoch zu Schwingungen, da Gas oder
Luft infolge der Kompressibilität keine Dämpfungswirkung gegen auftretende Schwingungen
hat.
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Bei hydrodynamischen Gaslagern ist es bereits bekannt, bestimmten
Instabilitätsarten durch Dämpfung der Lagerbewegungen selbst mittels Gummiteilen
entgegenzuwirken. Auch ist aus der USA.-Patentschrift 2939 626 ein Turbo-Verdichter
mit schwimmender Lagerabstützung bekannt, wobei der Lagerträger, an dessen einem
Ende der Rotor gelagert ist, am gegenüberliegenden Ende mittels verstärkter Gummiunterlegscheiben
in einem Gehäuse eingespannt ist. Am rotorseitigen Ende des Lagerträgers sind hierbei
zwei Ringe in eine Umfangsnut unter Spannung eingesetzt, die in der Gehäusebohrung
anliegen und zwischen denen das Schmieröl zu den Wälzlagern des Rotors eingeleitet
wird. Bei dieser bekannten Anordnung soll zur Beseitigung der nachteiligen Auswirkungen
kritischer Drehzahlen eine gewisse Elastizität in radialer Richtung und zugleich
eine Dämpfung geschaffen werden, was insbesondere durch die radiale Ausweichmöglichkeit
der in axialer Richtung vorgespannten Gummiunterlegscheiben erreicht wird.
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Der Erfindung liegt-die Aufgabe zugrunde, bei einer Druckluftturbine
für den direkten Antrieb eines Werkzeuges, insbesondere für ein Handbohrgerät, bei
Verwendung eines Luftlagers im Hinblick auf die erforderlichen hohen Drehzahlen
eine Lagerung bzw.
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Lagerabstützung zu schaffen, die-einen möglichst schwingungsfreien
Lauf der Druclduftturbine mit Werkzeug gestattet, insbesondere irn Hinblick auf
die Verwendung als zahnärztliches Bohrgerät, bzw. beim Auftreten von Schwingungen
in radialer und axialer Richtung diese so dämpft, daß jede Geräusche entwicldung
vermieden und die auszuführende Präzisionsarbeit nicht beeinträchtigt wird, obgleich
diese Lagerung auch die durch das Werkzeug hervorgerufenen Kräfte aufzunehmen hat.
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Diese Aufgabe - wird- nach der Erfindung bei der eingangs beschriebenen
Druckluftturbine dadurch gelöst, daß auf beiden Seiten eines auf dem Rotor befestigten
Turbinenrades Statorlagerteile angeordnet sind, die mittels elasiischer Ringe in
einem Gehäuse schwimmend abgestützt sind, wobei die elastischen Ringe hohlkegelstumpfförmig
ausgebildet und mit entgegengesetzter Konizität beiderseits der Druckluftkanäle
in den Statorlagerteilen so angeordnet
sind, daß sie mit einem Rand an einer Schulter
am Gehäuse und mit dem anderen Rand an einer Schulter am jeweiligen Statorlagerteil
abdichtend anliegen.
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Hierdurch wird eine schwimmende Lagerabstützung geschaffen, die sowohl
radiale wie auch axiale Schwingungen zu dämpfen vermag und zugleich imstande ist,
die durch das Werkzeug hervorgerufenen Kräfte aufzunehmen. Insbesondere für zabnärztliche
Bohrgeräte gestattet diese Ausbildung eine genaue Arbeitsweise bei mulimaler Geräuschentwicklung
und schonender Behandlung des Patienten.
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Da beim Auftreten radialer Schwingungen die größte Amplitude an den
Enden des Rotors zu erwarten ist, weisen vorteilhafterweise die Lagerabschnitte
des Rotors ihren größten Durchmesser jeweils an der dem Turbinenrad abgewandten
Seite auf, wodurch dem Auftreten derartiger Schwingungen am besten entgegengewirkt
werden kann.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung sind die durch diese elastischen
Ringe abgedichteten Druckluftkarnmern über Drosselkanäle in den Statorlagerteilen
mit den Luftlagern verbunden. Dadurch wird ein zusätzliches Luftpolster um die Statorlagerteile
ausgebildet, was für die Lagerabstützung günstig ist, während andererseits die Druckluftzufubr
zum Lager selbst gedrosselt wird, wodurch die bei Luftlagern bekannten Instabilitätserscheinungen
reduziert werden.
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Zweckmäßigerweise sind die Lagerabschnitte des Rotors bezüglich ihres
axialen Abstandes voneinander einstellbar angeordnet, um die Luftspaltstärke zwischen
den Lagerflächen entsprechend den jeweiligen Bedingungen beeinflussen zu können.
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Eine beispielsweise Ausführungsform nach der Erfindung wird im folgenden
an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 eine Ausführungsform eines
zahnärztlichen Bohrgerätes in einer Seitenansicht, Fig. 2 einen Teil dieses Gerätes
in einer Draufsicht von der Linie II-II der F i g. 1 aus, F i g. 3 das Gerät im
vertikalen Längsmittelschnitt nach der Linie III-III der F i g. 2, Fig. 4 einen
Schnitt nach der LinieIV-IV der Fig. 3, F i g. 5 einen Schnitt nach der Linie V-V
der Fig. 3, Fig. 6 einen Schnitt nach der LinieVI-VI der Fig. 3.
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Die gleichen Teile der Druckluftturbine sind in allen Figuren mit
den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In der Zeichnung besteht der Stator der erfindungsgemäßen Druckluftturbine
M in Fig. 3 aus einem an beiden -Enden offenen zylindrischen Gehäuse C mit einem
an einer Seite in der Längsmitte rechtwinklig zur Gehäuselängsachse vorspringenden,
vorzugsweise zylindrischen und einstückig mit ihm verbundenen Handgriffansatz H.
Das Gehäuse C ist an seinen Enden im Innendurchmesser größer ausgeführt und bildet
im Abstand von seinen Enden Absätze, gegen die sich flache Anschiagringe 21, 22
legen. Die Enden des Gehäuses C sind durch mit ihnen verschraubte Kappen 33 und
34 verschlossen.
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Zwischen den Anschlagringen 21,22 und den Kappen 33, 34 sind Statorlagerteile,
bestehend aus äußeren Lagerstützringen 25,26, und in diese passende Lagerringe
27,28
vorgesehen, die innen entgegengesetzt kegelstumpfförmig gestaltet sind und nach
außen im Innendurchmesser stufenförmig zunehmen.
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Der Rotor R erstreckt sich im wesentlichen über die ganze Länge des
Gehäuses C und trägt annähernd in seiner Längsmitte das Turbinenlaufrad 62, wobei
die außen kegelstumpfförmig gestalteten Lagerabschnitte jeweils geringen Abstand
vom Turbinenlaufrad 62 aufweisen und mit den Lagerringen 27, 28 kapillare Luftpolsterringspalte
47, 48 bilden. Das Gehäuse C weist in einer senkrecht zur Drehachse verlaufenden
Mittelebene eine ventilgesteuerte Druckluftzuführungsleitung 51 auf, welche im wesentlichen
tangential zum Umfang des Turbinenlaufrades verläuft, welches aus einer kreisrunden
Scheibe besteht, die in axialen Abständen eine Mehrzahl von quer zur Achsenrichtung
verlaufenden kapillaren Ringschlitzen 62 s, eine Mehrzahl von über den Umfang vorzugsweise
gleichmäßig verteilten achsparallelen Aussparungen 51 a und nahe der Innenwand des
Turbinenrades eine Mehrzahl von axialen Bohrungspaaren 51 b für den Druckluftaustritt
nach beiderseits des Turbinenrades 62 angeordneten Druckluftaustrittskanunern 68,
69 aufweist, die zwischen dem Turbinenrad 62 und den Rotorlagerabschnitten 43, 44
bzw. Statorlagerteilen 25, 26, 27 und 28 vorgesehen sind und über mehrere Druckluftaustrittskanäle
mit der Außenluft in Verbindung stehen. Das Gehäuse C weist einen radial nach einer
Seite vorspringenden Handgriffansatz H auf, in welchem eine erste Druclduftzufuhrkammer
55 vorgesehen ist, die mit einer Druckluftquelle in Verbindung steht, und aus welcher
die Druckluft über die tangential auf den Umfang des Turbinenrades 62 gerichtete
Zuführungsleitung 51 diesem zugeleitet wird. Gleichzeitig führen Verbindungskanäle
37 a, 38 a aus der Druckluftzufuhrkammer 55 nach Ringkammern 37, 38 am Umfang der
Lagerstützringe 25, 26, die über radiale, über den Umfang der Lagerstützringe25,26
verteilte Drosselkanäle 58 und anschließende, mit wesentlich größerem Durchmesser
ausgeführte radiale Kanäle 59 mit den Luftpolsterringspalten 47, 48 in Verbindung
stehen. Die mit hohem Druck zugeführte Druckluft wird vor ihrem Eintritt in die
kegelstumpfförmigen Ringspalte zwischen den kegelstumpfförmigen Rotorlagerabschnitten
und den kegelstumpfförmigen Statorlagerteilen 25, 26, 27 und 28 entspannt, und die
Rotorlagerabschnitte 43, 44 werden auf einem Luftpolster ohne nennenswerte mechanische
Berührung gelagert. Beiderseits der in den Lagerstützringen 25, 26 vorgesehenen
Ringkammern 37, 38 sind zwischen diesen und den inneren Absätzen des Gehäuses C
im Querschnitt hohlkegelstumpfförmige Stütz- und Dichtungsringe 23, 23 s, 24, 24s
aus Gummi oder einem anderen elastischen Material mit entgegengesetzter Konizität
zueinander angeordnet, die an ihren Endrändern größeren Durchmessers mit Metalldrahtarmierungseinlagen
31 versehen sind und die den Rotor R und die Statorlagerteile 25, 26, 27, 28 bei
der hohen Drehzahl des Rotors R möglichst vibrationsfrei sowie mit großer Geräuschlosigkeit
entsprechend nachgiebig in seiner zentralen Lage halten.
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Die ringförmigen Metalldrahtarmierungseinlagen 31 weisen vorzugsweise
annähernd quadratischen Querschnitt auf und sind mit den Stützringen 23, 23 s, 24,
24s durch Vulkanisierung od. dgl. verbunden.
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Vor der Montage der Statorlagerteile 25, 26,27,28 in dem Gehäuse
C werden flache Anschlagringe 21 bzw. 22 gegen die inneren Absätze 21 s und 22 s
des Gehäuses C gelegt und dann je ein Stütz- und Dichtungsring 23 oder 24 eingeführt,
die sich mit ihren Metalldrahteinlagen31 gegen die Anschlagringe 21, 22 legen. Danach
werden die je aus einem Statorlagerring 27, 28 mit innerer, kegelstumpfförmiger
Lagerfläche und einem Lagerstützring 25, 26 bestehenden Statorlagerteile von jedem
Ende des Gehäuses C gegen die vorher eingelegten Stütz- und Dichtungsringe 23, 24
gelegt, worauf zusätzliche kegelstumpfförmige Stütz- und Dichtungsringe 23 s, 24
s mit ihren nicht armierten Rändern kleineren Durchmessers gegen entsprechende Winkelanschiäge
der Lagerstützringe 25, 26 der Statorlagerteile gelegt und danach die Kappen 33,
34 auf die Gehäuseenden geschraubt werden, gegen die sich dann die Enden größeren
Durchmessers der zusätzlichen elastischen kegelstumpfförmigen Stütz- und Dichtungsringe
23 s, 24 s legen. Durch Anziehen der Kappen 33, 34 mittels eines in die Vertiefungen
35, 36 greifenden Schlüssels können die mit entgegengesetzter Konizität (mit paarweise
jeweils gegenüberstehenden Enden geringeren Durchmessers) eingesetzten Stütz- und
Dichtungsringe 23, 24 und 23 s, 24 s (F i g. 3) so weit zusammengepreßt werden,
daß sie außer ihrer Aufgabe der Abdichtung der Ringkammern 37, 38 nach außen auch
für die Statorlagerteile eine elastische, genau zentrierte Stützlagerung ergeben,
welche durch mehr oder weniger starkes Anziehen der Kappen 33, 34 auch eine axiale
Ausrichtung der Statorlagerteile zueinander und damit der Spaltweite der entgegengesetzt
konischen Luftpolsterringspalte 47, 48 ergeben.
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Der aus F i g. 3 ersichtliche Rotor R der Druckluftturbine M besteht
aus einer kopfbolzartigen, hohlen Achse 40, deren zentrale Bohrung von dem Kopfende
ausgehend und über eine entsprechende Länge mit größerem Durchmesser und Innengewinde
versehen ist, in welches eine mit Außengewinde versehene, verhältnismäßig steife
Spannhülse 41 für ein Bohr- oder Drillwerkzeug 78 eingesetzt ist, das vorzugsweise
für zahnärztliche Zwecke bestimmt ist. Da die kopfbolzenartige, hohle Achse 40 mit
einer durchgehenden Bohrung versehen ist, kann der Bohrer oder das Drillwerkzeug
78 aus der Spannhülse 41 durch Einführen eines stumpfen Stiftes mit axialem Druck
leicht ausgestoßen werden. Das dem Kopf abgewandte Ende der hohlen Achse 40 ist
mit Außengewinde versehen, auf welchem eine Schraubenmutter42 sitzt. Zwischen dem
Kopf der hohlen Achse 40 und der Mutter 42 sind die außen entgegengesetzt kegelstumpfförmig
gestalteten Lagerabschnitte 43, 44 mit Verbindungsteilen 65, 66 und dazwischen das
Turbinenrad 62 sowie eine Mehrzahl von Ausgleichsscheiben 46 angeordnet, mit deren
Hilfe die Lagerabschnitte 43, 44 des Rotors R mit entsprechendem Spielraum zu den
Lagerflächen der Statorlagerteile eingestellt werden können, so daß sie beiderseits
des Turbinenrades 62 gleiche kapillare Luftpolsterringspalten bilden und nicht in
mechanische Berührung mit den Statorlagerteilen kommen können.
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Der Gehäuseansatz H ist mit einer von seinem freien Ende bis etwa
zur Längsmitte der halsartigen Einschnürung 60 sich erstreckenden Längsbohrung versehen,
in welche ein hülsenförmiges Kupplungsstück
54 mit Flansch zur
Bildung der Druckluft zufuhrkammer 55 eingeführt ist, so daß die Übergangsstelle
der Druckluftzufuhr zur Xammer 55 gut abgedichtet ist; Da die kegelstumpfförmigen
Statorlagerteile mittels der elastischen Stütz- und Dichtungsringe 23,24 und 23
s, 24s im Gehäuse C nachgiebig gelagert sind, können sie alle axialen und radialen
Bewegungen mitmachen und diese dämpfen, so daß die kegelstumpfförmigen Lagerabschnitte
43, 44 des Rotors R und die kegelstumpfförmigen Statorlagerteile ihre Lage zueinander
nicht ändern und bei gemeinsamer Verlagerung immer wieder gemeinsam in die zentrale
Lage zurückgeführt werden, wobei keinerlei metallische Berührung sowie Schwingungs-
und Schallübertragung sowohl in axialer als in radialer Richtung zwischen nichtrotierenden
und rotierenden Teilen erfolgen kann.
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Wie aus F i g. 3 ersichtlich ist, strömt aus der Druckluftzufuhrkammer
55 im Handgriffansatz H des Gehäuses C hochgespannte Druckluft durch Kanäle 37a,
38a in die Rigkammern 37, 38 und von dort durch die radialen Drosselkanäle 58 und
die mit größerem Durchmesser ausgeführten radialen Kanäle 59 sowie durch die Luftpolsterringspalte
47, 48 in die Kammern 70, 71 unter den Kappen 33, 34 und aus diesen durch die Löcher
72, 73 ins Freie sowie durch die inneren Teile der Luftpolsterringspalte 47, 48
in die Auslaßkammern 68, 69, von wo sie durch Kanäle 68 a und 69 a in das Innere
des Handstückes 50 gelangen, um direkt oder durch nicht gezeigte Auslaßleitungen
in entspanntem Zustand ins Freie gelangen zu können.
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Das aus den Fig. 3 und 4 in sechs- bis achtfacher Vergrößerung ersichtliche
Turbinenrad 62 ist scheibenförmig aus nichtrostendem Stahl gefertigt, mit weniger
als 3,25 mm axialer Dicke und weniger als 10 mm äußerem Durchmesser. Der innere
Durchmesser des Turbinenrades 62 entspricht mit Paßsitz dem äußeren Durchmesser
der kopfbolzenartigen hohlen Achse 40. In der EbeneIV-IV der Fig.3 sind mit gleichem
Neigungswinkel wie die Druckluftzufuhrleitung 51 über den Umfang des Turbinenrades
62 verteilt fünf Aussparungen 51 a am Außenumfang des Turbinenrades 62 angebracht.
Dicht an dem Umfang der hohlzylindrischen Verbindungsteile 65, 66 der kegelstumpfförmigen
Lagerabschnitte 43, 44 des Rotors R sind in dem Turbinenrad 62 fünf achsparallele
Bohrungspaare 51b vorgesehen.
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Schließlich ist das Turbinenrad 62 mit einer Anzahl kapillarer Schlitze
62 s versehen, die sich vom Umfang des Turbinenrades 62 bis zum Innenrand der achsparallelen
Bohrungen 51 b erstrecken.
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Die hochgespannte Druckluft strömt durch die
ventilgesteuerte Zufuhrleitung
51 aus der Zufuhrkammer 55 auf den Umfang des Turbinenrades-62 und trifft lotrecht
auf die radial kürzeren Teile der Seitenwände der Aussparungen 51 a, wodurch eine
größere Menge wirksamer Druckluft in die kapillaren Ringschlitze 62s gedrückt wird
und auf ihrem Weg durch die Schlitze 62s und oberhalb oder unterhalb durch die Bohrungspaare
51 b in die Auslaßkammern 68, 69 und aus diesen durch Leitungen 68 a, 69 a in den
äußeren Teil des Handgriffansatzes 50 gelangen kann Es ist bemerkenswert, daß durch
die in die Aussparungen 51 a gedrückte Druckluft zusätzliche Arbeit von dieser geleistet
wird, indem sie mit hoher Geschwindigkeit in tangentialer Richtung auf den Umfang
des Turbinenrades 62 trifft und auf ihrem Weg zu den Bohrungspaaren 51 b Widerstände
zu überwinden hat und weitgehend entspannt wird.