DE19637598C2 - Anordnung zur Gaslagerung einer schnelldrehenden Welle - Google Patents

Description

Keramische Werkstoffe haben sich beim Einsatz für hochtourige Gaslagerungen schon oft bewährt (BARTZ, W., u. a. Luftlagerungen, 1993, S. 22). In der Druck­ schrift JP 08 121 482 A ist ein Gaslager für eine schnelldrehende Werkzeugspin­ del bekannt, bei dem eine rotierende Welle in einem Gehäuse in axialer und radialer Richtung gasgelagert ist. Aus anderen Quellen, z. B. Betriebssicherheit aerostatischer Radiallager aus porösem Werkstoff, wird darauf hingewiesen, daß der Wärmeausdehnungskoeffizient der Welle möglichst wenig von dem des Lagerwerkstoffes abweichen soll. Weitere Erkenntnisse zum Stand der Technik sind in folgenden Druckschriften beschrieben: US 34 50 448, DE 31 43 606 A1, US 36 45 590, US 37 18 379.

Bei hohen Drehzahlen kann bei Gaslagern eine beachtliche Reibleistung entste­ hen, die mit der Lagerbelastung ansteigt und zur Erwärmung von Welle und Lager führt. Da Gaslager sehr enge Lagerspalte (8 bis 18 µm) benötigen, sollten stets Welle und Lager aus keramischen Werkstoffen sein und somit den gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, um eine zu große thermische Veren­ gung des Lagerspaltes zu vermeiden.

Selbst wenn Lager und Welle den gleichen Ausdehnungskoeffizienten haben, ist mit der Lagerbelastung und der somit ansteigenden Erwärmung eine zunehmende Lagerspaltverengung zu beobachten, die sogar zum Blockieren und dem Ausfall der Lagerung führen kann. Ein Grund hierfür ist, daß sich die Welle stets stärker erwärmt als das Lager, das wegen der größeren Oberfläche die Wärme besser abführen kann. Ein weiterer Grund ist, daß bei Verengung des Lagerspaltes die Reibleistung des Lagers zusätzlich durch die Verengung selbst noch weiter an­ steigt, wodurch das Lager sehr schnell Temperaturen erreicht, die zum Nicht­ mehrvorhandensein des Lagerspaltes und folglich zum Blockieren des Lagers führen.

Ziel war es eine Lagerung mit keramischen Werkstoffen (z. B. Graphit) zu ermög­ lichen, wobei als Wellenwerkstoff Stahl verwendet werden kann, ohne daß thermi­ sche Probleme bei hohen Drehzahlen auftreten. Um jedoch die Lagerspaltveren­ gung mit höherwerdenden Reibleistungen und somit besseren Belastbarkeiten der Lagerung zu verhindern, müßte ein keramischer Werkstoff gefunden werden, der einen höheren Ausdehnungkoeffizienten als die Stahlwelle hat. Da es solche keramischen Werkstoffe nicht gibt, wurde nach anderen Möglichkeiten gesucht den thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu beeinflussen. Durch das Einpres­ sen des Lagers in eine Buchse mit höherem Ausdehnungskoeffizienten, konnte das erreicht werden. Damit dies aber mit günstigen Wellenwerkstoffen erreicht werden kann, muß die übergepreßte Buchse mindestens den dreifachen Ausdeh­ nungskoeffizienten des keramischen Lagers und den 1,3-fachen Ausdehnungs­ koeffizienten des Wellenwerkstoffes besitzen.

Durch umfangreiche Versuche wurde festgestellt, daß die Höhe des Einpreß- bzw. Schrumpfmaßes den Ausdehnungskoeffizienten am Lagerspaltdurchmesser nicht beeinflußt, so daß auf maßgenaue Einpressung mit engen Fertigungstoleranzen verzichtet werden kann. Die Pressung sollte jedoch so hoch gewählt werden, daß ein Lösen zwischen Lager und Buchse bei der möglichen Maximaltemperatur ausgeschlossen ist.

Durch Berechnungen und weitere Versuche wurde festgestellt, daß der Ausdeh­ nungskoeffizient am Lagerspaltdurchmesser im wesentlichen durch die Wand­ stärkenverhältnisse zwischen keramischen Lager und übergepreßter Buchse beeinflußt werden kann. Läßt man die Wandstärke des keramischen Lagers an­ steigen, so wird sich immer mehr der Ausdehnungskoeffizient des keramischen Werkstoffes am Lagerspaltdurchmesser einstellen. Nimmt jedoch die Wandstärke der übergepreßten Buchse zu, so wird sich asymptotisch der Ausdehnungskoeffi­ zient der Buchse immer stärker auswirken. Da bei der Pressung zwischen Lager und Buchse der elastische Verformungsbereich nicht überschritten werden sollte, spielt auch der Elastizitätsmodul von Gaslager- und Wellenwerkstoff eine wichtige Rolle. Außer den oben festgelegten Verhältnissen der Wärmeausdehnungskoef­ fizienten müssen nun auch die Verhältnisse der Wandstärken und Elastizitätsmo­ dule bestimmt werden. Es stellte sich heraus, daß das Produkt aus Elastizitäts­ modul und Wandstärke bei der Buchse um mindestens das 1,8-fache höher sein sollte als bei dem Lager.

Letztlich sind alle wichtigen geometrischen und physikalischen Größen so ausge­ legt, daß ein engerwerdender Gaslagerspalt auch bei einer hohen Lagerbela­ stung und der damit verbundenen Erwärmung ausgeschlossen ist. Es kann aber eine leichte Aufweitung des Lagerspaltes über der Erwärmung auftreten, die je­ doch keine besonders negativen Auswirkungen auf die Lagerung hat. Durch Auf­ weitung des Lagerspaltes nimmt nämlich die Reibleistung des Gaslagers ab, so daß die Erwärmung wieder zurückgeht und ein Gleichgewichtspunkt bereits bei geringer Aufweitung schnell erreicht ist.

Für bestimmte Anwendungsfälle stellte sich als vorteilhaft heraus, die Lager an elastischen Ringen im Spindelgehäuse zu befestigen. Hierzu können Gummiringe verwendet werden. Günstig ist es die Lagerbuchse in der Mitte in den Gummirin­ gen aufzuhängen, da falls es mehrere Lager sind, sie sich selbständig zueinander ausrichten.

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lagerung in Form einer aerostatischen Lagerung eines Offenend-Spinnrotors.

Hier ist ein Spinnrotor 1 dargestellt, der durch eine schnell lösbare Verbindung 2 am Ende eines freischwingenden Fortsatzes 7 befestigt ist. An diesem Ende be­ findet sich noch ein Gleitlager 3, das die Schwingungsausschläge beim Durchfah­ ren der ersten Eigenschwingung des freischwingenden Fortsatzes 7 begrenzt. Das Gleitlager 3 ist anhand von O-Ringen im Deckel 4 aufgehängt und der Deckel 4 ist in das Spindelgehäuse 12 eingepreßt.

Die aerostatisch im Gehäuse 12 in radialer und axialer Richtung gelagerte Welle 8 besitzt eine Bohrung, in die der freischwingende Fortsatz 7 so eingepreßt ist, daß sich seine dünnste Stelle zwischen den beiden aerostatischen Lagern 6, 10 befindet, da dort die vom Spinnrotor ausgehende Radialkraft wirkt. Am hinteren Teil der Welle 8 ist durch eine Preßverbindung eine Scheibe 11 angebracht, die zur axialen Lagerung der Welle 8 in beide Richtungen dient. Zwischen der Welle 8 und den Lagern 6, 10 entsteht der radiale Lagerspalt, der sehr eng ist (10 bis 14 µm) und deshalb hohe Fertigungsgenauigkeiten erfordert. Der Wellenwerkstoff ist Stahl.

Jedes der beiden aerostatischen Lager 6, 10 besteht aus einem Lagerkörper aus Graphit und einer übergepreßten Buchse 5, 9 aus Aluminium. Das Preß- bzw. Schrumpfmaß zwischen Lagerkörper und Buchse beträgt 0,04 bis 0,06 mm. An jeder Aluminiumbuchse 5, 9 befindet sich ein Druckluftanschluß 14, 15, wo­ durch der Lagerspalt über den porösen Graphit und und eine Umfangsnut in der Buchse mit Luft versorgt wird.

An dem hinteren aerostatischen Lagerkörper 10 ist ein Bund angebracht, der zur axialen Abstützung der Welle 8 dient.

Die beiden aerostatischen Lager 6, 10 sind durch O-Ringe 13, 16 im Spindelge­ häuse 12 weich aufgehängt. Damit die O-Ringe eine axiale Fixierung besitzen, wird jeweils auf dem Lager und in die Bohrung des Spindelgehäuses eine Nut eingearbeitet. Zur elastischen Aufhängung der Lager im Spindelgehäuse sind außerdem Kunststoffringe, Silikonringe und Ringe aus Schaumstoff geeignet.

Das hintere Lager 10 bildet zusammen mit dem O-Ring 16 und dem Abschluß­ deckel 17 einen Druckraum, wodurch auf das aerostatische Axiallager eine Vor­ spannkraft wirkt, so daß es Kräfte in beide Richtungen aufnehmen kann. Der Druck wird durch eine Drossel 18 erzeugt, die sich im Abschlußdeckel 17 befin­ det. Die Drossel 18 besteht aus einem Stopfen mit porösem Material.

Claims (6)

1. Anordnung zur Gaslagerung einer schnelldrehenden Welle mit an einem Ende angeordnetem Werkzeug, wobei die Welle in einem Gehäuse durch mindestens ein Lager in axialer und radialer Richtung gelagert ist und wobei das aus einem keramischen Werkstoff bestehende Radiallager über die ganze Länge in eine Buchse eingepreßt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus Elastizitätsmodul und Wandstärke bei der Buchse um mindestens das 1,8-fache höher ist als beim Lager.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Buchse des Lagers an elastischen Ringen im Gehäuse befestigt ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen Ringe aus Gummi sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Wellen­ werkstoff Stahl verwendet wird.

5. Anordnung nach Anspruch 1, 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Lagermaterial aus Graphit besteht und die übergepreßte Buchse aus Aluminium hergestellt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das schnell­ drehende Werkzeug ein Offenend-Spinnrotor ist.