DE2015545A1

DE2015545A1 - Verfahren zur Herstellung beschichteter StrömungsmitteHagerfolien

Info

Publication number: DE2015545A1
Application number: DE19702015545
Authority: DE
Inventors: Alexander Tarzana Calif. Silver (V.St.A.)
Original assignee: The Garrett Corp., Los Angeles, Calif
Priority date: 1969-04-03
Filing date: 1970-04-01
Publication date: 1970-10-15
Also published as: CA927455A; US3677612A; FR2042865A5; DE2015545C2; GB1315668A

Description

Verfahren zur herstellung beschichteter Strömungsmittel lager folien

Die Erfindung befaßt sich mit Folienlagern und betrifft insbesondere ein Strömungsmittelfolieulager, das mit Foliensegmenten ausgestattet ist, die mit einem festen Schmiermittel beschichtet sind₀

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Strömungsmittellager sind seit langem bekannt und bestehen im allgemeinen aus zwei Elementen, nämlich einem feststehenden Element und einem beweglichen Element, zwischen denen sich ein bestimmter Zwischenraum befindet. Der Zwischenraum ist mit einem Strömungsmittel ausgefüllt, beispielsweise mit Luft, das unter dynamischen Bedingungen einen tragenden "Teil" bildet, um auf diese Weise eine ausreichende Abstützung einer Last zu schaffen, indem eine berührung zwischen dem beweglichen

Patentanwälte Dipf.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys..Sebastian Herrmann

und dem stationären Element verhindert wird, neuerdings hat sich herausgestellt, daß sich eine verbesserte Betriebsweise eines Strömungsmittellagers, insbesondere eines Gas lagers des hydrodynamischen Typs, dadurch realisieren läßt, daß in den Zwischen« raum zwischen den Lagerelementen Folien vorgesehen werden. Derartige Folien sind im allgemeinen dünne bleche mit einer Dicke derart, daß sie durch hydrodynamische Filmkräfte zwischen den benachbarten Lageroberfiächen und den Folien abgelenkt oder abgebogen werden. Die Folien verstärken die hydrodynamischen Eigenschaften der Gaslager und bewirken auch einen besseren betrieb unter extremen belastungsbedingungen, wenn normale Lager möglicherweise versagen. Dazu kommt, daß die Folien— segmente einen zusätzlichen Vorteil bieten, indem sie sich an die Exzentrizität des beweglichen Elements anpassen und eine Puffer- und Dämpfungswirkung haben, um dadurcn eine synchrone Wirbelinstabilität und Wirbelinstabilität bei halber Drehzahl zu verringern oder ganz zu beseitigen, wie dies ausführlich in der USA-Patentschrift 3 215 480 erläutert ist. Die Foliensegmente sind federnd und bewegen sich unter dynamischen bedingungen aufgrund des durch die Relativbewegung der Lagerelemente erzeugten Druckes. Ein Beispiel für ein derartiges Folienlager ist in der soeben genannten USA—Patentschrift ausgeführt.

Es hatten sich jedoch gewisse Probleme ergeben, wenn Folienlager unter harten Betriebsbedingungen, wie hohe uetriebsdrehzahl und hohe Temperatur, verwendet werden. Dazu kommt, daß durch wiederholtes Anfahren und Anhalten die Lebensdauer des Lagers aufgrund eines zu starken Verschleißes erheblich begrenzt wird. Schließlich haben sich ganz allgemein die Festigkeit der Foliensegmente und ihr Vermögen, momentane Überbelastungen auezuhalten, unter rauhen Betriebsbedingungen, wie sie dann zu erwarten sind, wenn derartige Folienlager in

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Flugzeugkühlkompressoren und anderen Einheiten im Flugwesen eingesetzt werden, schon immer als problematisch erwiesen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein verbessertes Folienlager sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben zu schaffen und in diesen Zusammenhang das Folien» lager so zu verbessern, daß es momentane Überlastungen aushalten kann. Des weiteren soll sich die Folienlagerkonstruktion durch wesentlich verbesserte Betriebseigenschaften auszeichnen. DarUberhlnaus soll auch die durch die Zahl der Starts und Stops beeinflußte Lebensdauer der Strömungsmittellager des Folien— type erhöht werden. Schließlich wird bezweckt, die effektive Festigkeit der Folienanordnung eines Folienlagers zu vergrößern.

Erfindungsgemäß wird nun diese Aufgabe dadurch gelöst, indem ein beschichtetes Folienlager geschaffen wird sowie ein Verfahren aufgezeigt wird, mit dem sich die Folien des Folienlagers herstellen lassen. Dieses Verfahren besteht aus den Schritten der Erzeugung eines Folienmaterials und beschich» tung der einen Seite des Folienmaterials mit einem festen Schmierstoff. Ein besonderes festes Schmierstoffmaterial, das sich für den obigen Zweck als zufriedenstellend erwiesen hat, wird unter der Bezeichnung Teflon~S Typ« 958-200 verkauft und kann von der Firma E. I. DuPont de Ne oura & Co. (Inc.), Burlingame, Kalifornien, bezogen werden. Insbesondere wird die Seite zur Schaffung des gewünschten Überzugs mit dem festen Schmierstoff beschichtet, die sich neben dem rotierenden Element befindet. Die Beschichtung der Folien kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise durch Sprühen oder durch vorherige Erzeugung von Lagen und durch Befestigung des Überzugs mittels Klebstoff. Ein Strömungsmittelfolienlager, das beschichtete Foliensegmente aufweist, bildet ein Strömungslager mit gesteigerter effektiver Belastungskapazität und erhöhter Beständigkeit bei hohen Temperaturen, hohen Drehzahlen und

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häufigem Stop-Start-Betrieb. OtgLeich das Belastungsvermögen des Strömungsmittelfilms unbeeinflußt bleibt, wird doch die effektive Belastbarkeit erhöht, weil das erfindungsgemäße Lager unter gewissen Bedingungen eine Berührung während des Laufens zuläßt, ohne daß das Lager versagt. Unter solchen bedingungen würden die üblichen Strömungsmittelfolienlager zerstört werden.

bei einer speziellen Aidführungsform des erfindungsgemäßen Lagers in Form eines Büchsenlagers sind die Folien vorzugsweise überlappt, wobei die beschichtete Seite innen liegt, obgleich eine Überlappung der Folien für einen wirksamen Betrieb derartiger Anordnungen nicht unbedingt erforderlich ist. Die aufgetragene Beschichtung bzw. der angebrachte Ü.berzug hat die Form eines festen Schmierstoffes mit passenden Hafteigenschaften, so daß er an der zugehörigen Folie haftenbleibt. Wenn die beschichteten Seiten der Folien so ausgebildet werden, sind sie in der Lage, mit der benachbarten, rotierenden Wellenoberfläche im Falle von einwirkenden Überlastungen und Wellenausschlägen aufgrund von Wirbelbildung und dergl. eine Zwangsschmierung zu schaffen. Außerdem dienen die so beschichteten Seiten der Folien dazu, die Start-Stop-Eigenschaften des Lagers zu verbessern, indem sie beim Anlaufen und Auslaufen der Wellendrehung die durch die Reibung hervorgerufene Drehkraft und Verschleiß vermindern.

Gemäß einer anderen Aueführungsform lassen sich ähnliche vorteilhafte Ergebnisse bei einem Drucklager der erfindungs— gemäßen Art erzielen, das mit beschichteten Foliensegmenten in nicht überlappter Anordnung arbeitet. Die Foliensegmente sind auf der der rotierenden Druckplatte zugewandten Seite beschichtet.

Ausführungsbeispiele des Erfindungegegenstandes sind in der zeichnung, auf die sich die folgende Beschreibung bezieht,

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schematisch dargestellt. In der zeichnung zeigen:

Flg. 1 eine perspektivische Ansicht eines Strömungsmittel folien—büchsenlagers, das erfindungsgemäß aufgebaut ist,

Fig. 2 eine auseinandergezogene, perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäß aufgebauten Strömungsmittelfolien-Drucklagers,

Fig. 3 ein blockschema, aus dem die bevorzugte Verfahrens» weise zur Herstellung eines Folienlagersegments der erfindungsgemäßen Art ersichtlich ist,

Fig. 4 eine vergrößerte Schnittansicht längs der Linie

4-4 in Fig. I₁ die die neuartigen, beschichteten Folien im Einbauzustand in einem Lager zeigt, und

Fig. 5 eine auseinandergezogene Ansicht eines linearen Strömungsmittelfolienlagers, gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein üüchsenlager IO mit einer drehbaren Welle 11 gezeigt, die in gestrichelten Linien angedeutet ist und in einer stationären Büchse 12 gelagert ist. Natürlich kann ein derartiges Lager auch eine feststehende Welle haben, auf der ein rotierender Lagerring angeordnet ist« Das Innere der Büchse 12 enthält mehrere Foliensegmente 14 in einer Konfiguration, wie sie klar aus der Schnittansicht von Fig. 4 hervorgeht. In Fig. 4 sind acht Foliensegmente 14 zu sehen, von denen jedes Segment einen Umhüllungswinkel von annähernd 90° bei einer Überlappung von etwa 50 % aufweist und aus einem metallenen Grundmaterial oder Grundkörper 16 aus einem Material wie Inconel X 750 besteht, dessen Oberfläche oder Seitenfliohe, die ■ich neben der Weil· 11 befin4«t, alt ein·» fest·*lokaler-■ittelttberzug 18, beispielsweise Teflon-S Type 958-200 versehen ist. Die einzelnen Segaente 14 werden an ihrem Platz gehalten,

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indem sie auf der inneren Oberfläche der Büchse 12 durch geeignete Mittel, beispielsweise durch eine Verankerungsan— Ordnung, wie sie in einer anhängigen deutschen Patentanmeldung desselben Anmelders beschrieben ist, befestigt sind.

Fig. 2 zeigt eine auseinandergezogene Ansicht eines Drucklagers 20, das eine stationäre üalterungsplatte 22, einen dreh« baren Läufer 2k und eine Folientraganordnung 26 aufweist, die mit einer Folienstü'tzplatte 25A versehen ist, an der die Folien 25 befestigt sind. Außerdem ist eine versteifende Unterlegscheibe 27 vorhanden. Plazierungsstifte 28 sind vorgesehen, die mit Einkerbungen 29A und 29ti in der Unterlegscheibe 27 bzw. der Folienstiitzplatte 25A in Eingriff gebracht werden können, um diese Elemente gegen Relativdrehung miteinander zu verriegeln. Die gezeigte Folientraganordnung 26 weist acht Foliensegmente 25 auf, von denen sich jedes über einen Bogen von annähernd 45° erstreckt, wobei zwischen benachbarten Folien ein geringer Spalt vorhanden ist. Die Folienoberflächen, die dem Druckläufer 2k benachbart sind, sind mit einem festen Schmiermittel beschichtet und arbeiten im allgemeinen in derselben Weise wie das in Fig. 1 gezeigte biichsenlager. uei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind die einzelnen Foliensegmente 25 an der Stützplatte 25A durcn PunktverschweiOung an der Vorderkante relativ zu der Rotation des Läufers befestigt.

Es wurde festgestellt, daß Strömungsmittellager des beschriebenen Typs wesentlich besser arbeiten, wenn Folien verwendet werden, die mit einem festen Schmiermittel Überzogen oder beschichtet sind. Ein Beispiel für ein derartiges festes Schmiermittel, das sich in der Praxis bewährt hat, ist Teflon-S Typ· §58-200, J»«ecfcicfct»t· Folien d·» Typs, wie der »ei den »*vor*ugten Aa·führung·formen der hier beschriebenen Lager

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benutzt wird, lassen sich nach dem schematisch in Fig. 3 aufgezeigten Verfahren herstellen. Bei dem gezeigten Verfahren wird zunächst eine gewisse Menge an urund- oder Trägermaterial, beispielsweise Inconel X 750 genommen, das in einem mit 30 bezeichneten verfahrensschritt in irgendeine passende VerarbeitungsgröOe geschnitten wird. Der nächste Schritt 32 sieht vor, daß das Material wärmebehandelt wird. Der Wärmebehandlungsschritt hängt in einem gewissen naO von dem jeweiligen Grundmaterial ab, das Verwendung findet. Wenn beispielsweise Inconel Χ75υ verwendet wird, kann der Warmbehandlungsschritt 32 in einer inerten Atmosphäre durchgeführt werden, um auf diese Weise Oxidation der Oberflächen zu vermeiden, die die üindungsfestigkeit des fertigen Überzugs beeinträchtigen könnte. Das Inconel X75O wird so in einem Ofen angeordnet, daß die&tücke, wenn überhaupt, in nur geringer berührung stehen. Das Material wird auf 704 C erwärmt und dann über 20 Stunden auf dieser Temperatur gehalten. In gewissen Anwendungsfällen besteht eine annehmbare alternative Verfahrensweise darin, die Materialtemperatur auf 76O° C zu erhöhen und eine Stunde lang zu halten,

Nach der Wärmebehandlung wird das Grundmaterial in einem Verfahrensschritt 34 gereinigt. Ib Falle von Inconel X75O wird beim Reinigen das Grundmaterial eine Stunde lang in eine Alkalipermanganatlösung eingetaucht, woraufhin es maximal eine Minute, lang in eine 20£ige bis 25#ige Salpetersäurelösung eingetaucht wird.

Der nächste Verfahrensschritt 36 sieht die Beschichtung des Materials vor, und zwar vorzugsweise auf der Seite, die der Gleitreibung an einer relativ zu ihr beweglichen Oberfläche ausgesetzt ist. Die beschichtung erfolgt mit einem festen Schmiermittel ο Ein bevorzugtes Schmiermittel für diesen Zweck stellt das im Handel unter der Bezeichnung Teflon—S Type 958-200 erhältliche Material dar. Der Überzug bzw. die

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Beschichtung läßt sich durch besprühen der einen Seite des Grundmaterial aufbringen, das auf die von dem Hersteller empfohlenen Aufbringungsverfahren folgt. Ein derartiges Aufbringungsverfahren arbeitet mit dem elektrostatischen Sprühen oder der Verwendung einer Luftpistole unter einem Druck von annähernd 2,8 kp/cm unter benutzung der normalen Verfahrensweisen für das Aufbringen synthetischer Emaille. Auf die besprühung folgt eine Wärmenachbehandlung bei etwa 3l6° C. Alternativ dazu läßt sich der Folienbeschichtungsschritt durch Verwendung von vorfabrizierten Platten aus festen Scnmiermittelstoffen durchführen, beispielsweise aus dem oben erwähnten Teflon-S Type 958-200, die durch einen geeigneten Klebstoff auf den Metallfolien befestigt werden. Andere alternative Verfahrensweisen zur Aufbringungen des festen Schmierstoff-Überzugs auf die eine Seite der Metallfolie können ebenfalls verwendet werden.

Die Überzugs- oder beschichtungsdicke wurde zwischen 0,025 und 0,03b mm variiert, wobei sich gute Ergebnisse eingestellt haben. ^Nachdem das Material beschichtet worden ist, besteht der nächste Verfahrensschritt 38 darin, von den Rändern oder Kanten des Materials einen 6,4 mm breiten Streifen zu entfernen. Dieser Schritt findet deshalb statt, weil die beschich— tungsdicke ohne beschneiden an den Materialrändern nicht gleichmäßig ist. Das Entfernen kann durch irgendein geeignetes Gerät, beispielsweise eine in richtiger Weise geschärfte und eingestellte Metallblechschere oder Metallblechstanze, erfolgen.

Der nächste Verfahrensscnritt 40 besteht darin, daß das beschichtete Material auf die für das jeweilige Lager vorherbestimmte Größe geschnitten wird, wobei dieses Schneiden mit einer in richtiger Weise geschärften und eingestellten Metallblechschere oder einer Metallblechstanze oder dergl. vorge-

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nommen werden kann. Der Schneidvorgang beginnt an der beschichteten S_eite und läuft dann in Richtung auf die unbe- , schichtete Materialseite fort um zu^erhindern, daß sich entlang der Schnittkante Grate erheben,.

In dem nächsten Verfahrensschritt k2 werden alle entstandenen Grate durch Honen der kanten oder Ränder des geschnittenen Materials beseitigt» Außerdem werden alle scharfen Kanten entfernt.

Der nächste Verfahrensschritt kk besteht in dem Entfernen, des Überzugs längs des Folienrandes,, der an einem der Lagereiementie Jaefestigt werden soll. Dieser Schritt ist dort angemessen, wo^?die befestigung der Folie dadurch erfolgt, daß die Folie mit einem Stützkörper punktgeschweißt werden soll, der die Folien in der gewünschten Konfiguration hält, in der sie in die Lager eingesetzt werden, wie dies bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 2 gezeigt ist.

Wie aus der auseinandergezogenen, perspektivischen Ansicht von Fig. 5 einer weiteren, anderen speziellen Anordnung des hier beschriebenen Gegenstandes hervorgeht, kann das Lager eine geradlinige Gestalt 5o in Form eines Schuhes 52 aufweisen, der relativ zu einem Grundkörper 54 beweglich ist, zwischen dem Schuh 52 und dem Grundkörper 54 ist eine Folien— plattenanordnung 56 angeordnet, die sich durch uefestigungsmittel, beispielsweise nicht gezeigte Stifte, an dem Schuh anbringen läßt. Diese befestigungsmittel können in mehrere lxalterungslöcher an den entgegengesetzten Enden des Schuhes 52 eingesteckt werden,, Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist, weist die Plattenanordnung 56 eine Platte 58 auf, an deren Unterseite eine Anzahl einzelner Folien oder Puffer 6ü befestigt sind. Die Folien 6ü können durch geeignete Mittel, beispielsweise durch Punktschweißung an ihren entsprechenden

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vorderen Rändern relativ zur bewegungsrichtung des Schuhs 52 an die Platte 58 angeheftet werden. Jede folie 6ü ist längs ihrer Unterseite, d.h.also der Seite, die der iteibungsberührung mit dem tfrundkörper 54 ausgesetzt ist, mit einem festen Schmiermittelüberzug versehen, der in der oben beschriebenen Weise aufgebracht worden ist. Auf diese Weise verbessern die beschichteten Strömungsfolien oder Puffer 60, hergestellt entsprechend den obigen Vorschlägen, die be— lastungeeigenschaften des gradlinigen Lageraufbaus 50, wobei diese Anordnung als Strömungsfolienlager zur Abstützung des lasttragenden Schuhs 52 dient.

Ein wünschenswerter Verfahrensschritt k6 besteht bei der uerstellung einer Folie für ein Lager der oben beschriebenen Art in dem Polieren der beschichteten Oberfläche, um dadurch alle starken Flecken zu entfernen oder einen glatteren und gleichmäßigeren Oberflächenendzustand zu erreichen als dies durch die bloße beschichtung möglich ist. Im allgemeinen sollte jede Folie über ihre ganze'Länge eine einheitliche Abmessung haben, und zwar unabhängig davon, ob sie nun in einem tiüchaen— lager, wie in Fig. 1 gezeigt, in einem Drucklager, wie in Fig. 2 gezeigt,oder in einem linearen Lager, wie in Fig. 5 gezeigt, verwendet wird. Die Gleichmäßigkeit ist wichtig für die Steuerung der durch Verschleiß bedingten Lebensdauer und der effektiven Belastbarkeit des Lagers.

Es wird darauf hingewiesen, daß das Grundmaterial, wie Inconel X75O, in Abhängigkeit von den jeweiligen Erfordernissen der Umgebung, in der das Lager angeordnet werden soll, geändert werden kann und sich auch in Abhängigkeit von dem erforderlichen Korrosionswiderstand, der gewünschten strukturellen Festigkeit und irgendwelcher anderer gewünschter Eigenschaften oder Kennzeichen variieren IKBt.

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In gleicher Weise kann Teflon—S Type 958—200 als bevorzugter fester Schmiermittelüberzug durch andere Schmierraittelmaterialien ersetzt werden, wenn bessere Materialien erhältlich sind oder die Untgebungsbedingungen andere Eigenschaften erfordern als sie von dem oben genannten Material Teflon-S Type 95Θ-2ΟΟ geboten werden,

Es wurde festgestellt, daß ein nach den obigen Anweisungen gebautes Strömungsnittelfolienlager in der Lage ist, bei Temperaturen von über 260 C zu arbeiten. Derartige Lager wurden Über mehr als 30 000 Start-Stop-betriebszyklen erprobt sowie bei Betriebsdrehzahlen von weit über 100 000 üpm. Diese Werte stellen eine wesentliche Verbesserung gegenüber bekannten , Folienlagern dar, die nicht mit den neuartigen, beschichteten Folien ausgestattet sind. Der Einbau von beschichteten Folienolenenten der beschriebenen Art wird als Ursache für die verbesserten Laufeigenschuften der Lager unter extremen bedingungen angesehen.

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Claims

ANSPRÜCHE

1. Verfahren zur Herstellung einer Folie für ein Strömungsmitteifolienlager, dadurch gekennzeichnet, daß ein Folienmaterial hergestellt, danach gereinigt und auf seiner Oberfläche mit einem festen Schmierstoff beschichtet wird, und daß das beschichtete Folienmaterial auf Lagergröße zugeschnitten wird, wobei das Zuschneiden von der beschichteten Materialseite zur unbeschichteten hin erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das feste Schmiermittelmaterial auf dem Folienmateriai durch Klebstoff befestigt wird.

3·) Strbmungsmittelfolienlager mit zwei Elementen, die relativ zueinander beweglich angeordnet sind, von denen das eine Element das andere tragen kann, und mit mehreren Folien, die zwischen den Elementen angeordnet sind, dadurcii gekennzeichnet, daß die Folien (,Ιο, 25, 60) auf wenigstens einer Oberfläche mit einem festen Schmierstoff (18) beschichtet sind.

4. Strömungsmittelfolienlager, gekennzeichnet durch eine büchse (12) mit einer Öffnung zur Aufnahme einer drehbaren Welle (Ii) und mit mehreren Folien (i4), die auf der inneren Oberfläche der üüchsenöffnung angebracht sind und mit im wesentlichen gleichem Abstand um den Innenraum der Öffnung verteilt sind, wobei jede Folie (Ik) aus einem metallenen Grundmaterial (16) besteht, das wenigstens auf der einen Seite mit einem festen Schmierstolfmaterial (18^ beschichtet istc

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5. Strömungsmittelfolienlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich der feste Schmierstoffüberzug (18) auf den inneren Oberflächen der Folien (lh) befindet, wenn sie in der Büchse (12) angeordnet sind.

6. Strömungsmittelfolienlager mit einer Befestigungsplatte, einer Folientraganordnung und einem Druckläufer, die zusammengebaut sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Folientraganordnung (26) eine Stützplatte (25A) aufweist, an der mehrere Folien (25) befestigt sind und in einem im wesentlichen einheitlichen Abstand rund um den Umfang der Platte angeordnet sind, wobei jede Folie (25) auf inrer Oberfläche, die dem Druckläufer (2h) benachbart ist, mit einem festen Schmiermittelüberzug versehen ist₀

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