DE1626261B1 - Druckluftturbine mit Luftlagerung fuer den direkten Antrieb eines Werkzeuges - Google Patents

Druckluftturbine mit Luftlagerung fuer den direkten Antrieb eines Werkzeuges

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Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Die gleichen Teile der Druckluftturbine sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (4)

  1. Patentansprüche: 1. Druckluftturbine für den direkten Antrieb eines Werkzeuges, insbesondere für zahnärztiiche Bohrgeräte, mit einem in einem Stator luftgelagerten Rotor, dessen Lagerabschnitte entgegengesetzt kegelstutnpfformig ausgebildet sind, wobei für die Zuführung von Druckluft radiale Kanäle im Bereich der Rotorlagerabschnitte im entsprechend ausgebildeten Stator vorgesehen sind, d a d u r c h g e k e n nz e i G h n e t, daß auf beiden Seiten eines auf dem Rotor (R) befestigten Turbinenrades (62) Statorlagerteile (25, 26, 27, 28) angeordnet sind die mittels elastischer Ringe in einem Gehäuse (c,) schwimmend abgestützt sind, wobei die elastischen Ringe (23, 23 s, 24, 24 s) hohlkegelstumpfförmig ausgebildet und mit entgegengesetzter Konizität beiderseits der Druckluftkanäle (58, 59) 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.
  2. 2. Turbine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerabschnitte (43, 44) des Rotors (R) ihren größten Durchmesser jeweils an der dem Turbinenrad (1i2) abgewandten Seite aufweisen.
  3. 3. Turbine nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die elastischen Ringe (23, 23 s, 24, 24s) abgedichteten Druckluftkammern (37, 38) über Drosselkanäle (58) in den Statorlagerteilen (25, 26, 27, 28) mit den Luftlagern in Verbindung stehen.
  4. 4. Turbine nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lagerabschnitte (43, 44) des Rotors bezüglich ihres axialen Abstandes voneinander einstellbar sind.
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