DE19821601C1 - Gaslagerung einer schnelldrehenden Welle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Gaslagerung mit Verstellvorrichtung zum Einstellen der exzentrischen Versetzung der Lagerbohrungen zueinander, die es möglich macht, ein Maschinenteil, bestehend aus Welle und Werkzeug, mit höchster Laufgenauigkeit und bestem Gleichlauf bei niedrigem Energieverbrauch rotieren zu lassen. Außerdem muß diese Lagerung einfach und kostengünstig herzustellen sein. Das der Erfindung zugrundeliegende Problem war nun, unter den vielen Varianten von Verstellvorrichtungen die besten herauszufinden und diese im Zusammenhang mit der Gesamtlagerung durch geometrische Größen und physikalische Eigenschaften eindeutig zu beschreiben. Wenn die in den Patentansprüchen vorgegebenen technischen Lehren beachtet werden, können die maximalen Anforderungen an die Gaslagerung optimal erfüllt werden.

Description

In der Patentanmeldung JP 59-99112 (A) ist das Grundkonzept zur Stabilisierung einer dynamischen Gaslagerung beschrieben. Hierbei werden die Gaslager exzen­ trisch versetzt zueinander angeordnet, was eine Verspannung und somit Stabilisie­ rung der schnelldrehenden Welle zur Folge hat. Diese exzentrisch zueinander posi­ tionierten Lagerbohrungen sind nur sehr aufwendig herzustellen, weil hierbei sehr kleine Fertigungstoleranzen beachtet werden müssen.

Aus DE PS 5 93 468 sind nachstellbare Gleitlager bekannt, bei denen eine stets zentrisch bleibende Lagerung sichergestellt ist.

Aus DE 25 57 805 A1 ist ein Maschinensatz mit mehrfach gelagertem Rotor bekannt, bei dem zwei der Radiallagerungen als Zentrierlager ausgebildet sind. Die übrigen Radiallagerungen sind zum Ausgleich von Fluchtungsfehlern radial verschiebbar. Diese radiale Verschiebbarkeit ermöglicht damit die Kompensation von Fluchtungs­ fehlern.

In der Hauptpatentanmeldung 197 25 784.4-12 wird eine günstige Methode der exzentrischen Versetzung von Gaslagern beschrieben, wobei mittels einer speziel­ len Verstellvorrichtung ein Einstellen der exzentrischen Versetzung der Gaslager erfolgt ohne Einhaltung kleiner Fertigungstoleranzen. Damit ist es möglich, ein Maschinenteil, bestehend aus Welle und Werkzeug, mit höchster Drehzahl, größter Laufgenauigkeit und bestem Gleichlauf bei niedrigem Energieverbrauch rotieren zu lassen. Diese Gaslagerung ist außerdem auch kostengünstig und einfach herzustellen.

Es stellt sich jedoch die Aufgabe, die bekannte Verstellvorrichtung noch weiter zu verbessern, um das Einstellen der exzentrischen Versetzung der Gaslager sehr präzise und unproblematisch zu verwirklichen.

Da eine große Anzahl von Eigenschaften und Einflußgrößen das mechanische Sy­ stem der Verstellvorrichtung beeinflußt, führt dies dazu, daß eine große Anzahl von Verstellvorrichtungen eingesetzt werden kann, wovon jedoch die meisten nicht ge­ eignet sind, die gewünschten Anforderungen ausreichend zu erfüllen.

Es wurde nun gefunden, daß nicht die absoluten Werte, sondern meistens relative Werte und Verhältnisse der geometrischen Größen und physikalischen Eigenschaf­ ten für eine zuverlässige und optimale Funktionsfähigkeit der Verstellvorrichtung von Bedeutung sind, und daß alles relativ zueinander betrachtet werden muß. In den Patentansprüchen sind viele Verhältnisse und Beziehungen genannt, die jeweils einen vorteilhaften Wertebereich eindeutig abgrenzen.

Die im Hauptanspruch beschriebenen drei Lager sind in einem festen Gehäuse angeordnet und so befestigt, daß das erste und dritte Lager jeweils ungefähr die gleiche radiale Steifigkeit gegenüber dem Gehäuse haben. Das zweite, mittlere Gaslager sollte eine wesentlich geringere radiale Steifigkeit besitzen, die minde­ stens um den Faktor 4,3 geringer ist.

Diese mechanische Eigenschaft der Verstellvorrichtung hat den Vorteil, daß beim Einstellen der exzentrischen Versetzung der Lager zueinander keine großen Biege­ verformungen des Lagers auftreten und somit die Formgenauigkeit des Lagerspal­ tes, der von Welle und Lager gebildet wird, erhalten bleibt.

Desweiteren wurde eine vorteilhafte Wirkung auf das Schwingungsverhalten der Gesamtlagerung festgestellt, da die Frequenzen der Eigenresonanzen der Lager im Gehäuse keine ungünstigen Überlagerungen bilden. Außerdem konnte hiermit die Dämpfung der drehzahlsynchronen Schwingung der schnelldrehenden Welle ver­ bessert werden.

Ein weiterer entscheidender Vorteil ist das Verringern des Gleit-Haft-Effektes (Slip- Stick-Effect) beim Einstellen der exzentrischen Versetzung der Lager auf wenige Mikrometer genau, und somit der Verhinderung des Blockierens der Lagerung, wenn das Einstellen bei Betrieb erfolgt (Näheres ist in der Hauptpatentanmeldung erläu­ tert). Ein großer Gleit-Haft-Effekt führt nämlich zu einem ruckhaften Einstellen der exzentrischen Versetzung und ist sehr problematisch.

Von großer Bedeutung für die einwandfreie Funktionsfähigkeit der Verstellvorrich­ tung im Zusammenhang mit der Gesamtlagerung sind thermische und thermodyna­ mische Eigenschaften. Da die Lagerspaltgeometrien im Mikrometerbereich vorliegen und bei hochtouriger Anwendung der Lagerung beachtliche Reibleistungen entste­ hen, sind Eigenschaften der verwendeten Bauteile wie Wärmeausdehnungskoeffizi­ ent, Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität zu berücksichtigen. Die richtige Auswahl von Werkstoffen anhand dieser genannten Eigenschaften sowie die Anpassung der Abmessungen der Bauteile an die gegebenen Eigenschaften sind unverzichtbar. Werden die vorgeschlagenen Verhältnisse nicht beachtet, wird es zum Blockieren der Welle im Lager kommen, was einen Ausfall und erheblichen Schaden an der Gesamtlagerung verursachen kann.

Wichtig ist es außerdem, die geometrischen Größen der drei Gaslager zueinander in das richtige Verhältnis zu setzen. Als geometrische Größen sind vor allem Lager­ durchmesser, Lagerbreite, Spalthöhe und Exzentrizität zu nennen. Für die Bildung maximaler Drücke und optimaler Druckverläufe im Gaslagerspalt sind diese Größen entscheidend.

Das Gaslager ist von allen Lagerungsmöglichkeiten das umfangreichste Schwin­ gungssystem. Instabilitäten in Form von sogenannten Halbfrequenzwirbeln und Airhammern können auftreten. Bei hochtourigen Anwendungsfällen muß die Eigen­ frequenz des Lagers durchfahren werden und es muß eine Phasenverschiebung berücksichtigt werden. Alle genannten geometrischen Größen und physikalischen Eigenschaften haben eine Auswirkung auf dieses Schwingungssystem und nur beim Berücksichtigen gewisser Beziehungen aller Einflußgrößen und dem Einhalten be­ stimmter Werte kann das komplexe Schwingungsverhalten der Welle mit Werkzeug und der drei Gaslager im Gehäuse bewältigt werden.

Die in den Patentansprüchen vorgegebenen technischen Lehren sind daher beson­ ders geeignet, maximale Anforderungen an die Gaslagerung in Zusammenhang mit der Verstellvorrichtung zu erfüllen. Der Fachmann sollte beim Bau dieser Gaslage­ rung mit Verstellvorrichtung alle in den Ansprüchen genannten Beziehungen und Verhältnisse der geometrischen Größen und physikalischen Eigenschaften einhal­ ten, um eine optimale Ausführung zu erhalten.

Im folgenden wird anhand eines Ausführungsbeispieles die Erfindung näher be­ schrieben:

Fig. 1 zeigt die maßstäbliche Ausführung der Lagerung eines schnelldrehenden Polygonspiegels. Hierbei ist eine Welle 1 in radialer und axialer Richtung in einem Gehäuse 2 aerodynamisch gelagert. An einem Ende der Welle 1 befindet sich eine Scheibe, auf deren Radialfläche der Polygonspiegel angebracht ist, der zur Umlen­ kung eines Laserstrahles in optischen Geräten benötigt wird (z. B. Scanner, Printer, usw.). Durch eine Bohrung 9 im Abschlußdeckel 8 kann der Laserstrahl auf den Polygonspiegel gelangen und von dort reflektiert werden. Am anderen Ende der Welle 1 befindet sich der Antriebsmotor, der aus einem auf der Welle 1 befestigten Rotor 10 und einem im Gehäuse 2 angebrachten Stator 11 besteht. Die Befestigung zwischen Welle 1 und Rotor 10 ist hier durch eine Preßverbindung gewährleistet. Zur radialen Luftlagerung der Welle 1 sind drei Lager 3a, 3b, 3c vorhanden. Das erste und dritte Lager 3a und 3c sind in das Gehäuse 2 eingeklebt. Beim Einkleben wird der Lagerkörper über eine Schraube in der Gewindebohrung 7 fixiert. Das mitt­ lere Lager 3b ist über dünne Stege 4 mit dem ersten und dritten Lager verbunden und kann radial durch die Schraube 5 verstellt werden. Nachdem die Luftlagerung wie im Hauptpatent beschrieben auf ein stabiles Laufverhalten eingestellt wurde, kann das mittlere Lager 3b zusätzlich anhand der Bohrungen 6 mit dem Gehäuse 2 verklebt werden. Die Lagerschale 3 aus Graphit ist in die Lager eingepreßt.

Die Axialflächen der Scheibe am Ende der Welle 1 dienen zur beidseitigen Axialla­ gerung. Das Axiallager zwischen Welle 1 und Lager 3a wird über das Radiallager mit Druckluft gespeist.

Claims (10)

1. Gaslagerung einer schnelldrehenden Welle mit an einem Ende angeordnetem Werkzeug, wobei zur radialen Lagerung entlang der Welle mindestens drei Gasla­ ger vorhanden sind, die in einem festen Gehäuse angeordnet sind, wobei die Lager­ bohrungen des ersten und dritten Lagers konzentrisch zueinander angebracht sind, und die Lagerbohrung des zweiten Lagers, das sich in der Mitte befindet, exzen­ trisch versetzt zu den Lagerbohrungen des ersten und des dritten Lagers ange­ bracht ist, und die exzentrische Versetzung durch eine Verstellvorrichtung bewirkt wird nach Patent 197 25 784, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert der radialen Steifigkeit des zweiten, mittleren Lagers gegenüber dem Gehäuse um mindestens den 4,3-fachen Betrag geringer ist als der Wert der radialen Steifigkeit des ersten oder dritten Lagers ge­ genüber dem Gehäuse, wobei die radiale Steifigkeit des ersten und des dritten La­ gers annähernd gleich ist.

2. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt von Dichte und Elastizitätsmodul des Wellenwerkstoffs um mindestens den 6,7-fachen Betrag so groß ist wie das Produkt von Dichte und Elastizitätsmodul des Lagerwerkstoffs.

3. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Masse des ersten und dritten Lagers im Verhältnis zum Elastizitätsmodul des ersten oder dritten Lagers um mindestens den 1,5-fachen Wert so groß ist wie das Verhältnis Masse zu Elastizitätsmodul des zweiten, mittleren Lagers.

4. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt aus Ela­ stizitätsmodul und Steifigkeit des zweiten, mittleren Lagers gegenüber dem Gehäuse um mindestens den Faktor 2,7 größer ist als das Produkt aus Elastizitätmodul und Steifigkeit des ersten und dritten Lagers gegenüber dem Gehäuse.

5. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von li­ nearer Wärmeausdehnungskoeffizient zu Wärmeleitfähigkeit bei dem zweiten mittle­ ren Lager um höchstens den 2-fachen Wert größer ist als das Verhältnis von linea­ rer Wärmeausdehnungskoeffizient zu Wärmeleitfähigkeit bei dem ersten oder dritten Lager.

6. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von La­ gerdurchmesser zu Lagerlänge bei dem zweiten, mittleren Lager mindestens 0,3- fach und höchstens 1,5-fach so groß ist wie das Verhältnis von Lagerdurchmesser zu Lagerlänge bei dem ersten oder dritten Lager.

7. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von La­ gerdurchmesser zu engster Lagerspalthöhe bei dem zweiten, mittleren Lager ge­ genüber dem Verhältnis von Lagerdurchmesser zu engster Lagerspalthöhe bei dem ersten oder dritten Lager maximal um den Wert 3,7 größer ist.

8. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt von Lager­ länge und engster Lagerspalthöhe des zweiten, mittleren Lagers um höchstens den 4,5-fachen Betrag so groß ist wie das Produkt von Lagerlänge und engster Lager­ spalthöhe des ersten oder dritten Lagers.

9. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von weitester Lagerspalthöhe zu engster Lagerspalthöhe den Wert 3,3 bei allen drei La­ gern nicht unterschreitet.

10. Lagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Produkt von wei­ tester Lagerspalthöhe zu engster Lagerspalthöhe des ersten oder dritten Lagers ge­ genüber dem Produkt von weitester Lagerspalthöhe zu engster Lagerspalthöhe des zweiten, mittleren Lagers minimal um den Wert 1,2 größer ist.