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Sphärisches Gleitlager Die Erfindung bezieht sich auf die Ausbildung
der Lager solcher Maschinen, deren Rotor gegen magnetische Kräfte axial abgestützt
wird.
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Solche Lager, wie sie beispielsweise bei Magnetkupplungen vorkommen,
bereiteten bisher grosse Schwierigkeiten, denn das Lager muss sowohl radiale Kräfte
(und diese noch in der Regel auf sehr kurzen Lagerlängen) als auch bedeutende Axialkräfte
-aufnehmen. 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 spezifische Lagerbelastung
sehr viel grösser wird, als es der jeweiligen Axialkraft entspricht.' Es sind weiterhin
Lager, z.B. zur Lagerung von Kompassystemen bekannt geworden, bei denen eine abgerundete
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. Das gleiche gilt für sogenannte "
"Uhrenlager", 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.
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Ziel der Erfindung ist es, ein Lager zu schaffen, welches keinerlei
Wartung bedarf und gegebenenfalls auch gegen abrasive Substanzen unempfindlich ist
und welches eine Verschwenkbarkeit um alle in der Rotationsebene liegenden Achsen
ermöglicht.
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Das erfindungsgemässe Lager besteht aus einem kovexen Lagerteil, das
in der Regel als auf einer Unterstützungssäule befestigte Kugel ausgebildet ist
und einem kokaven Gleitstein, dessen Ausnehmung etwa den gleichen Krümmungsradius
wie die Kugel aufweist und sich über einen Kugelabschnitt erstreckt,
kleiner oder im Grenzfalle gleich dem Kugelradius ist. (wobei die Tiefe der Ausnehmung)
Gleitlager bestehen in der Regel aus einer Paarung eines harten Werkstoffes mit
einem zweiten Werkstoff, der so weich ist, dass harte Schmutzteilchen in dieser
eingebettet werden. Diese Lagerart ist jedoch bei grossem Schmutzanfall ungeeignet,
da durch die Einbettungen von Schmutzteilchen 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 zerquetscht
bzw. zerdrückt werden. Diese Lagerart ist gegen Schmutzteilchen anfällig, weil diese
nicht eingebettet werden, sondern zu einem Verklemmen führen. Diesen Nachteil haben
erfindungsgemässe Lager nicht, da ein Verklemmen unmöglich ist, weil der unter axialer
Kraft stehende Rotor geringe axiale Verschiebungen ausführen kann.
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Es scheint nun naheliegend zu sein, beide Partner aus Werkstoffen
extremer Härte, wie Hartmetall, Hartchrom oder Sinterrubin, herzustellen. Die Praxis
zeigt jedoch, dass auch bei Verwendung dieser 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.
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Der physikalische Mechanismus der Flüssigkeitsreibung unterliegt der
Beziehung
In dieser Gleichung bedeutet p = spezifische Flächenbelastung -
" absolute Viskosität des Schmiermittels U = die örtliche Relativgeschwindigkeit
L " die tragende Länge in Richtung der Bewegung 1 " mittlerer Abstand der Gleitflächen
h 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 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 Beträgen,
die unterhalb der Lichtwellenlänge liegen können. Für derartige Präzisionen stehen
wirtschaftliche Werkzeugmaschinen nicht zur Verfügung, auch versagen unterhalb der
Lichtwellenlänge optische Mess- und Vergleichs methoden.
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Die Erfindung lehrt nun, wie sich dennoch Abstände extrem kleiner
Beträge bei sehr geringen Kosten erzielen lassen.
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Der Erfindung liegt die Überlegung zugrunde, dass sich beim Schleifen
optischer Linsen ausserordentliche Genauigkeiten hinsichtlich der geo.
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metrischen Formtreue dadurch erzielen lassen, dass das umlaufende
Werkstück durch Schleifkörper bearbeitet wird, die ihrerseits eine Oszillation senkrecht
zur Umlaufrichtung durchführen, so dass sich wellenförmige und statistisch niemals
zusammenfallende Schleifbahnen ergeben. Von dieser Überlegung ausgehend hat der
Erfinder versucht, sphärische Lager mit ausreichend hoher geometrischer Formtreue
der gegeneinander gleitenden Flächen dadurch zu erzielen, dass konkave und konvexe
Flächen relativ zueinander nicht nur drehend bewegt werden, sondern auch eine überlagerte
Schwenkbewegung ausführen,
Das Ziel ist die Schaffung aufeinander
eingeläppter Gleitflächen durch gegenseitigen Abtrag der konkaven und konvexen Flächen.
Es wurde gefunden, dass sich ein sicheres und einwandfreies Einläppen verwirklichen
lässt, wenn die konvexe Oberfläche bereits 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.
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dessen Breite der Oszillationsamplitude entspricht, so dass der Abrieb
an der konvexen Fläche praktisch Null ist. Die ursprünglich aufliegenden Punkte
werden schnell zu Flächen, die immer grösser werden und ein ausserordentlich exaktes
Abbild der erzeugenden Fläche bilden, so dass der verbleibende Spalt gegen Null
geht. Die Kontaktflächen vergrössern -sich stetig, bis sie einen Wert erreicht haben,
bei dem auch bei Betrieb in Luft nur noch Flüssigkeitsreibung verbleibt, -Von diesem
Stadium ab hört jeder Verschleiss auf. In Verbindung mit der Fähigkeit, jede Art
von Schmutzteilchen ohne Verklemmung zu zerspanen, wird ein erfindungsgemässes Lager
zu einem praktisch unverschleisslichen und gleichzeitig 5 chmutzunempfindlichen
wartungsfreien Lager.
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Die Erfindung sieht vor, solche Lager überall dort einzusetzen, wo
ein rotierendes Maschinenelement nur der Abstützung bedarf und Kräfte erfährt, die
zu einer Präzession von endlicher Amplitude um die vorgegebene Rotationsachse führen.
Dabei ist es der Ausführung der Erfindung dienlich, wenn die Taumelamplitude möglichst
gross ist, und die Erf indung 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.
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Die Erfindung erfordert, dass die konvexe Fläche bereits beim Einbau
geometrisch exakt ist. Dies wird in an sich bekannter Weise durch Verfahren des
spitzenlosen Kugelschleifens erreicht. Bei diesem Verfahren arbeiten zwei nicht
koaxial rotierende Scheiben gegeneinander, von denen mindestens eine eine Schleifscheibe
ist.
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Dabei ist es nicht notwendig, Vollkugeln zu verwenden. Erfindung gemäss
können auch Kugelabschnitte, vorzugsweise Halbkugeln, während des Schleifvorganges
zu einer Vollkugel zusammengefasst und später wieder getrennt werden.
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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 einige baut sind, sieht die Erfindung vor, die beschriebenen
neuen Gleitlager kraftschlüssig einzubauen. Anhand der Figurenbeschreibung soll
die Erfindung weiterhin erläutert werden.
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In Fig. 1 ist ein Handpoliergerät mit erfindungsgemässem Lager, vorzugsweise
für Automobile, gezeigt. Im Gehäuse (1) befindet sich ein Stator (2), der durch
eine sehr dünne Wand (5) aus einem nicht-magnetischen Werkstoff nach aussen hin
geschützt ist. Durch den Griff (6) führt das Kabel (7). Auf den Stift (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 auch Haftkräfte, die vor allem beim Nasspolieren
auftreten. nicht' zu einem Abheben des
führen. Der Schwenkwinkel wird durch den
Abstand
(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 Einlaufeigenschaften kann das Lager
mit einer Paste aus Molybdändisulfid und Borkarbid gefüllt sein. Nach dem endgültigen
Einlaufen erübrigt sich jede Schmierung und Wartung. Als Werkstoff für die Kugel
ist Hartmetall vorgesehen, da sich dieses durch ein Lot (16), das in eine Vertiefung
eingelegt ist, vorzugsweise im Schutzgas, verlöten lässt.
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Fig. 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 einen 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 ein konkaver Permanent-Magnetring (29) befindet.
welcher lateral magnetisiert ist.
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Fig. 3 zeigt einen
(2) mit auf einer Kugelfläche endenden Polen (31>.
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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.
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Fig. 4 zeigt ein erfindungsgemässes Lager mit it einer Kugel (9) aus
Hartmetall, die durch ein Lot (16) mit dem Hkonr (40) verlötet ist, Die Pfanne (12)
besteht aus Sinterkorund oder Hartmetall und weist einen kegeligen Bereich (41)
auf. Der Berührungslinie ist ein Öffnungswinkel (43) von weniger als 1800 zugeordnet.
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Fig. 5 zeigt eine Kugel, bestehend aus zwei Halbkugeln, die durch
Weichlöten, Kleben oder durch einen Gewindestift (50) miteinander verbunden sind,
damit ein spitzenloses Schleifen möglich ist.
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Fig. 6 zeigt eine Kugel (9) mit Pfanne (12). bei der ein Bereich (60)
ausgenommen ist, damit keine Reibung im singulären Punkt auftritt.
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Eine Dichtung (61) aus vorzugsweise elastischem Werkstoff wird durch
eine Zarge (62) festgehalten und verhindert das Eintreten von Schmutzteilchen. Erfindungsgemäse
kann der Raum (60) mit Fett gefüllt werden,
| einem |
| Fig. 7 zeigt eine Kugel (9), die in ihrem äquatorialen Bereich
in die einem Rohr- |
| ####### ################ (71) eingelötet ist, so dass die beiden
Pol- |
| Das Rohr (71) |
| kappen der Kugel als Laufflächen zur Verfügung stehen. ###
######### |
| Trennwand |
| ######## ist in eine nicht-magnetische ######## (72) eingelötet,
so dass |
die beiden Räume (73' und 74) hermetisch gegeneinander abgeschlossen sind. Zwei
Rotoren (75 und 76) mit ihren Lagerpfannen (77) können auf diese Weise in verschiedenen
Medien laufen und die erfindungsgemässe Taumelbewegung erfolgt um den gleichen Mittelpunkt
(78). Es lassen sich auf diese Weise beispielsweise Kupplungen zwischen einer wassergetriebenen
Turbine und einer aggressive Medien fördernden Pumpe bewerkstelligen, wobei alle
Vorteile der erfindungsgemässen Lagerung voll wirksam sind.
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Fig. 8 zeigt eine der Figur 6 ähnliche Ausführung mit einer Dichtung
(80) aus Gummi unter Verwendung einer Halbkugel (81> gemäss Figur 5. Der verbleibende
Raum (82) kann mit einem Trockenschmiermittel gefüllt werden.
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Fig. 9 zeigt eine Ausbildung mit einer durchbohrten Kugel (9) aus
Sinterrubin, die nach Metallisierung mit dem Hohlkörper (90) unlösbar verbunden
ist. Im Raum (91) ist eine Folie(92) sternförmig verformt eingelegt und schützt
die Schmierstoff-Füllung, vorzugsweise in sehr zähflüssiger Konsistenz gegenüber
dem umgebenden Medium. Dieses Lager ist bevorzugt für Pumpen gedacht, wobei sich
das Lager selbst im Saug bereich: und der Vorrat (91) im Druckbereich befindet.
so dass ständig ein kleiner Überdruck auf der Folie (92) wirksam wird
Fig.
10 zeigt eine Kugel für ein Lager gemäss Figur 9. die einen kegeligen Hohlraum aufweist,
der durch einen genau passenden, eingeklebten Stopfen (100) während des Spitzenlosschleifens
gefüllt wird.
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Fig, 11 zeigt ein Lager, bei welchem die Kugel (9) durch zwei konkave
Ringe (110 und 111) eingefasst ist. Diese Ringe werden durch die die Wandung (112)
und die Membrane (113) axial zusammengepresst, Der Durchmesser (114) des Sitzes
in der Membrane ist grösser als der Durchmesser des Ringes (110), so dass sich dieser
nur durch die Kugel einstellt. Im Raum (115) befindet sich Schmierstoff, z. B. ein
mit Öl getränkter Filz.
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Fig. 12 zeigt eine Lagerausbildung mit freibeweglicher Kugel (9),
wobei eine Lagerpfanne (121) fest mit dem Stift (40) verbunden ist, während die
andere Lagerpfanne (122) dem rotierenden Maschinenelement angehört. Die Kugel (9)
besteht aus Hartmetall, dessen Kobaltanteil es erz möglicht, sie mittels eines kleinen
Magneten (123) ohne irgendwelche weiteren Befestigungsmittel in der Höhlung von
(121) festzuhalten.
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Fig, 13 zeigt eine aus nicht-metallischem Material, vorzugsweise
Sinterkeramik, gefertigte Kugel (9), die mit einem festhaftenden Metall (131) beschichtet,
z.B. bedampft, wurde und dadurch auf dem Stift (40) angelötet werden kann. Die äusserst
dünne Metallschicht (131) wird durch das harte Material der Konkavfläche sehr schnell
abgetragen, so dass die geometrisch exakte Kugelfläche voll erhalten bleibt.
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In Fig. 14 wird eine weitere Verbesserungsmöglichkeit gezeigt: Um
die Tragkraft des Lagers zu erhöhen, ist in die Pfanne eine Spiral rille (141) eingeschliffen,
die die hydrodynamische Schmierung des Lagers verbessert.
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Die dazu notwendige Vorrichtung zeigt Fig. 15. Eine Spirale (151)
aus Federstahl ist als Bohrstachel am Schwingkopf (152) eines Ultraschallgenerators
befestigt. Die Spirale ist vorne so geformt, dass sie sich der Kontur der Lagerpfanne
anpasst. Durch die axialen Vibrationen des Bohrstachels arbeitet sich der Verlauf
der Spirale sehr exakt in die konkave Lagerfläche ein.
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In Fig. 16 ist dargestellt, wie durch die Präzessionsbewegung des
rotierenden konkaven Lagerelementes (12) sich ein Berührpunkt (161) längs einer
nicht geschlossenen Sinuskurve (162) fortbewegt und dabei im Laufe der Zeit eine
Kugelzone (163) vollständig überdeckt.