DE2015545C2

DE2015545C2 - Folie für ein hydro- oder pneumodynamisches Folienlager

Info

Publication number: DE2015545C2
Application number: DE2015545A
Authority: DE
Inventors: Alexander Tarzana Calif. Silver
Original assignee: Garrett Corp
Current assignee: Garrett Corp
Priority date: 1969-04-03
Filing date: 1970-04-01
Publication date: 1983-02-10
Also published as: FR2042865A5; CA927455A; DE2015545A1; GB1315668A; US3677612A

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf eine Folie für ein hydro- oder pneumodynamisches Folienlager gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

In Folienlagern entsteht während der Bewegung zwischen den Folien und dem zu lagernden Gegenstand, beispielsweise der Lagerwelle, eine Schmiermittelschicht, bei pncuinodynamischen Folienlagern beispielsweise eine Luftschicht. Ist die Gleitfläche der Folien eines Folienlagers nicht vollkommen eben, so besteht jo die Gefahr, daß die Gleitfläche mit dem zu lagernden Gegenstand in Berührung kommt. Bei den sehr hohen Drehgeschwirdigkeiten kann a^s eine plötzliche Zerstörung des Lagers zur Folge haben. Besonders kritisch ist die Phase des Drehbeginns. ; .nd die Folien nicht vollkommen eben, so kann bereits zu Beginn das Folienlager infolge von Reibung und dadurch bedingte Torkelbewegunger zerstört werden. Außerdem kommt es ganz erheblich auf die Lebensdauer derartiger Folien im Einsatz an. Erst eine lange Lebensdauer macht -to derartige Lager für die meisten möglichen Anwendungen, wo ein häufigeres Auswechseln des Lagers nicht möglich oder nicht wirtschattlich ist, geeignet.

In der FR-ZP 90 541 ist eine Folie für ein hydrodynamisches Folienlager gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 beschrieben. Dort wird übliches Polytetrafluorethylen verwendet. Es zeigte sich jedoch, daß dieses Material für die Verwendung bei einem Folienlager nicht geeignet ist. Zum einen ist die Beständigkeit eines entsprechenden Überzuges mit so normalem Polytetrafluorethylen für die meisten Anwendungsfälle zu gering. Bedeutsamer ist jedoch, daß die Oberfläche einer derartigen Beschichtung praktisch für alle Anwendungsfälle von Folienlagern nicht ausreichend glatt und eben ist. Zu den üblichen Betriebsbedingungen gehören neben einer sehr hohen Betriebsdrehzahl auch meistens hohe Temperaturen. Auch ein häufiges Anfahren und Anhalten des Lagers hat im allgemeinen einen starken Verschleiß zur Folge. Auch die Festigkeit der Foliensegmente ganz allgemein und ihre Fälligkeit, momentane uberbelastungen unter rauhen Betriebsbedingungen, beispielsweise in Flugzeugkühlkompressoren und anderen Flugzeuggeräten, auszuhalten, ist begrenzt. Im allgemeinen sind nämlich derartige Folien dünne Bleche mit einer Dicke, daß sie fc5 durch hydrodynamische Filmkräftc zwischen der. (Jc^enlauiflächen und der. Folien abgelenkt oder abgebogen werden können. Die Folien verstärken dadurch die hydrodynamischen Eigenschaften der Lager und bewirken auch einen verbesserten Betrieb unter extremen Belastungsbedingungen, wo normale Lager im allgemeinen versagen. Darüber hinaus sollen sich derartige Foliensegmente an die Exzentrizität des beweglichen Elementes anpassen, um eine Puffer- und Dämpfungswirkung zu erzielen und dadurch eine synchrone Wirbelinstabilität bei hoher Drehzahl zu verringern oder ganz zu beseitigen. Zur Ei läuterung dieser Problematik sei auf die US-Patentschrift 32 15 480 verwiesen. Die Foliensegmente sind dort federnd ausgebildet und bewegen sich aufgrund des durch die Relativbewegung der Lagerlemente erzeugten Druckes unter hydrodynamischen Bedingungen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Folie gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so auszubilden, daß eine höhere Lebensdauer erzielt wird.

Dadurch sollen momentan= Überlastungen schadlos überstanden werden; gleichzeitig sollen auch die Betriebseigenschaften verbessert werden, d. h„ der Reibungswiderstand verringert und damit eine höhere Drehzahl erzielt werden. Insbesondere sollen auch die Anlaufeigenschaften verbessert werden. Ein Folienlager, welches derartige Folien verwendet, soll eine besonders hohe Anzahl von Starts und Stops aushalten können. Die gesamte Festigkeit der Folienanordnung eines Folienlagers s-ill ebenfalls erhöht werden.

Die Aufgabe wird ertindungsgemäß durch die Merkmale des Kennzeichens des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausbildungen der Erfindung sind in den Unteransprijchen dargelegt.

Gemäß dem Erfindungsgegenstand wird ein Überzug der Gleitfläche des Trägermaterial mit einem speziell hergestellten Polytetrafluoräthylen durchgeführt, das beispielsweise unter dem Handelsnamen Teflon-S Type 958-200 von der Firma E. J. du Pont de Nemours & CO. Inc. in Burlingame, Kalifornien, U.S.A. hergestellt wird. Es zeigte sich ganz überraschenderweise, daß dieses Material nicht die Nachteile des übi^hen Polytetrafluoräthylen aufweist und erheblich besser als dieses und auch als andere Materialien einschließlich flüssiger Schmierstoffmaterialien geeignet ist. Als besonderer Vorteil sei auch noch erwähnt, daß dieses Lager selbst dann nicht — so wie bisherige hydro- oder pneumodynamische Folienlager — sofort zerstört wird, wenn sich während der hohen Drehgeschwindigkeit eine Berührung der aus Trägermaterial und Überzug bestehenden Folie mit dem Gegenlaufteil ergibt, was auch auf die besonders glatte Üeschaffenheil u?r Foliengleitfläche zurückzuführen ist.

Die mit dem speziell behandelten Teflon-S 958-200 überzogenen Gleitflächen der Folienträger oder Segmente des Folienlagers können sich überlappen, wobei die beschichtete Seite innen liegt, müssen sich jedoch nicht überlappen.

Nach Angaben des Herstellers ist der Teflon-S-Typ 958-200 als einzelne Schicht vorgesehen, deren Aushärtetemperatur bei etwa 316'C liegt. Vor der Beschichtung des Trägermaterials ist die Oberfläche in der Regel durch übliche Reinigungsmittel zu reinigen. Für Stahl kann dafür eine hitzebeständige Phosphatbcschichtung oder Sandstrahlen vorgesehen werden. Vor dem Erhitzen im Ofen kann man für etw,i 1—5 Minuten, maximal 15 Minuten, eine l.ufttmcknung vornehmen.

Danach erhitzt man das Material 1 5 Minuten lang bei 204X danach I 5 Minuten lang bei 3l6~C(Menilltempcratur). um einen trockenen Film von 25 um zu bilden. Wo eine noch höhere Abriebfestigkeit erforderlich ist.

kann man für weiten '5 Minuten eine Aushärtung bei 343°C anschließen. Wählt man die Temperatur höher, so lassen sich die Zeiten verkürzen.

Um eine Mehrfachbeschichtung bis etwa 76 μπι durchführen zu können, muß man die erste Schicht und die Zwischenschichten 15 Minuten bei 149°C und am Schluß für weitere 15 Minuten bei 316°C aushärten.

Das Aufsprühen kann auf eine für synthetische Emaille übliche Weise bis zu einer Schichtdicke von etwa 3 μιτι erfolgen. Vor dem Erhitzen ist, abhängig von der Filmdicke, der Metallmasse, der Luftgeschwindigkeit und der Menge der Schichten ein Vortrocknen von etwa 1 —5 Minuten erforderlich. Danach wird 15 Minuten lang eine Temperatur im Ofen 205° C aufrecht erhalten, gefolgt von einer Aushärtung bei einer Temperatur von 288°C für 30 Minuten. Um trockene Filme mit einer größeren Dicke als 30 μηι zu erhalten, müssen die Anfangsschicht und die Zwischenschichten

15 Minute:! lang auf 150°C gehalten werden, die Aushärtung der äußeren Schicht erfolgt 30 Minuten

^:i lang bei 288° C.

c Es sei betont, daß die genaue Einhaltung der ■ -ί Temperaturen, insbesondere der endgültigen A.ushärU;- ! temperatur, einen entscheidenden Einfluß auf die ' Qualität der Beschichtung bzw. des Überzuges darstellt 2^r, ■ und erst die überraschend positiven Ergebnisse bei der ■'.- Anwendung in einem Folienlager ergibt. S: Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes -5 sind in der Zeichnung, auf die sich die folgende 5: Beschreibung bezieht, schematisch dargestellt In der i« j Zeichnung zeigt

?■ Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines hydrodynamic mischen Folien-Büchsenlagers,

Fig.2 eine auseinandergezogene, perspektivische '■'-: Ansicht eines Folien-Drucklagers,

Fig.3 ein Blockschema, aus dem die bevorzugte : Verfahrensweise zur Herstellung eines Folienlagersegments ersichtlich ist,

F i g. 4 eine vergrößerte Schnittansicht längs der Linie 4-4 in Fig. I, die die beschichteten Folien im Einbauzustam' in einem Lager zeigt, und

F i g. 5 eine auseinandergezogene Ansicht eines linearen Folienlagers gemäß einer anderen Ausführungsform.

In F i g. 1 ist ein Büchsenlager 10 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, 'n Fig.4 sind ?cht Foliensegmente 14 zu sehen, von denen jedes Segment einen Umhüllungswinkel von annähernd 90° bei einer Überlappung von etwa 50% aufweist und auj einem metallenen Trägermaterial

16 aus einem Material wie einer Legierung aus 80% Nickel, 14% Chrom und 6% Titan besteht, dessen Oberfläche oder Seitenfläche, die sich neben der Welle 11 befindet, mit einem festen Schmiermittelüberzug 18 &o aus Teflon-S Type 958-200 versehen ist. Die einzelnen Segmente 14 werden an ihrem Platz gehalten, indem sie auf der inneren Oberfläche der Büchse 12 durch geeignete Mittel befestigt sind.

F i g. 2 zeigt eine auseinandergebogene Ansicht eines t" Drucklagcrs 20, das eine stationäre Haltcrungsplattc 22. einen drehbaren Läufer 24 und eine Folientraganordnuns 26 aufweist, die mi' einer Folienstützplatte 25/i versehen ist, an der die Folien 25 befestigt sind. Außerdem ist eine versteifende Unterlegscheibe 27 vorhanden. Plazierungsstifte 28 sind vorgesehen, die mit Einkerbungsn 29Λ und 295 in der Unterlegscheibe 27 bzw. der Folienstützplatte 254 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 24 benachbart sind, sind mit einem festen Schmiermittel beschichtet und arbeiten im allgemeinen in derselben Weise wie das in Fig. 1 gezeigte Büchsenlager. Bei der Ausführungsform nach Fig.2 sind die einzelnen Foliensegmente 25 an der Stützplatte 25/4 durch Punktverschweißung an der Vorderkante, bezogen auf die Rotation des Läufers, befestigt

Es wurde festgestellt, daß Strömungsmittellager des beschriebenen Typs wesentlich besser arbeiten, wenn Folien verwendet werden, die r..si einem festen Schmiermittel aus Teflon-S Type 958-2'JO überzogen oder beschichtet sind. Beschichtete Folien des Typs, wie er bei den bevorzugten Ausführungsformen der hier beschriebenen Lager benutzt wird, lassen sich nach dem schematich in Fig.3 aufgezeigten Verfahren herstellen. Bei dem gezeigten Verfahren wird zunächst eine gewisse Menge an Trägermaterial, beispielsweise der vorher erwähnten Legierung genominen, das in einem mit 30 bezeichneten Verfahrensschritl in irgendeine passende Verarbeitungsgröße geschnitten wird. Der nächste Schritt 32 sieht vor, daß das Material wärmebehandelt wird. Der Wärmebehandlungsschritt hängt in einem gewissen Maß von dem jeweiligen Trägermaterial ab, das Verwendung findet. Wenn beispielsweise die Nickel-Chrom-Titan-Legierung verwendet wird, kann der Warmbehandlungsschritt 32 in einer inerten Atmosphäre durchgeführt werden, um auf diese Weise Oxidation der Oberflächen zu vermeiden, die die Bindungsfestigkeit des fertigen Überzugs beeinträchtigen könnte. Die Legierung wird so in einem Ofen angeordnet, daß die Stücke, wenn überhaupt, in nur geringer Berührung stehen. Das Material v/ird 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 760°C zu erhöhen und eine Stunde lang zu halten.

Nach der Wärmebehandlung wird das Trägermaterial in einem Verfahrensschritt 34 gereinigt. Im Falle der Legierung wird beim Reinigen das Grundmaterial eine Stunde lang in eine Alkalipermanganatlösung eingetaucht, woraufhin es maximal eine Minute lang in eine 20°big«. bis 25%ige Salpetersäurelösung eingetaucht wird.

Der nächste Verfahrensschritt 36 sieht die Beschichtung des Materials vor, und zwar auf der Seite, die der Gleitreibung an einer relativ zu ihr beweglichen Oberfläche ausgesetzt ist. Die Beschichtung erfolgt mit einem festen Schmiermittel, das im Handel unter der Bezeichnung Teflon-S Type 958-200 erhältlich ist. Der Überzug bzw. die Beschichtung läßt sich durch Besprühen der einen Seite des Grundmaterials aufbringen. Ein derartiges Aufbringungsvcrfahrcn arbeitet mil dem elek'.i.'statischer Sprühen oder der Verwendung einer Luftspriihpistole unter einem Druck von annähernd 2.8 kp/cm² unter Benutzung der normalen

Verfahrensweisen für das Aufbringen synthetischer f'.Miiiillc. Auf die Besprühung folgt eine Wärmenachbehandlung bei etwa 316 C. Alt. inaliv da/u läßt sich der FOIienbcschichtungsschntt durch Verwendung von vorfabri/icrten Platten aus dem oben erwähnten Teflun-.S Type 9!38-2OO durchführen, die durch einen geeigneten Klebstoff auf den Metallfolien befestigt werden. Andere alternative Verfahrensweisen /ur Aufbringung des festen Sehmierstoffüberziigs auf die eine Seite der Metallfolie können ebenfalls verwendet werden.

Die Überzugs- oder ßeschichtungsdicke wurde zwischen 0.02 5 und 0.0Jh mm variiert, wobei lieh gute Ergebnisse eingestellt haben. Nachdem das Material beschichtet worden ist, besieht 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 ßeschichtungsdicke ohne Beschneiden an den Materialrändern gesetzten Enden des Schuhes 52 eingesteckt werden. Wie aus der Zeichnung ersichtlich ist. weist die Plattenanordnung "56 eine Platte 58 auf. an tieren Unterseite eine Anzahl einzelner Folien oder Puffer 60 befestigt sind. Die I olien 60 können durch geeignete Mittel, beispielsweise durch Piinklschwcißung. an ihren entsprechenden vorderen Rändern, bezogen auf die Bewegungsrichtung des Schuhs 52. an die Platte 58 angeheftet werden. |ede Folie 60 ist längs ihrer Unterseite, d. h. also der Seile, die der Rcilnngsberührung mit dem Grundkörper 54 ausgesetzt ist. mit einem festen Sehmiermittelüber/ug versehen, der in der oben beschriebenen W. e aufgebracht worden ist. Auf diese Weise verbessern die beschichteten Stromungsfolien oder Puffer 60. hergestellt entsprechend den obigen Vorschlägen, die Bclasiiinpscigenschafien des gradlinigen l.ageraufbaus 50. wobei diese Anordnung als hvdro- bzw. pneumodvHämisches I-'ohenlager zur Abstützung des lastlragenden Schuhs 52 dient.

irgendein geeignetes Gerät, beispielsweise eine in richtiger Weise geschärfte und eingestellte Mctallblechschere oder Metallblechstanzc, erfolgen.

Der nächste Verfahrensschritt 40 besteht darin, daß das beschichtete Material auf die für das jeweilige Lager vorherbestimmte Größe zugeschnitten wird, wobei dieses Schneiden mit einer in richtiger Weise geschärften und eingestellten Mctallblechschere oder einer Metallbicchstanze oder dcrgl. vorgenommen werden kann. Der Schneidvorgang beginnt an der beschichteten Seite und läuft dann in Richtung auf die unbeschichtete Materialseite fort, um zu verhindern, daß sieh entlang der Schnittkante Grate erheben.

In dem nächsten Verfahrensschritt 42 werden alle entstandenen Grate durch Honen der Kanten oder Ränder des geschnittenen Materials beseitigt. Außerdem werden alle scharfen Kanten entfernt.

Der nächste Ve.fahrensschritt 44 besteht in dem Entfernen des Überzugs längs des Folienrandes, der an einem der Lagerelemente befestigt 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 cies bei dem Ausführungsbeispiel von F i g. 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 50 in Form eines Schuhes 52 aufweisen, der relativ zu einem Grundkörp^r 54 beweglich ist. Zwischen dem Schuh 52 und dem Grundkörper 54 ist eine Folienplattenanordnung 56 angeordnet, die sich durch Befestigungsmittel, beispielsweise nicht gezeigte Stifte, an dem Schuh 52 anbringen läßt Diese Befestigungsmittel können in mehrere Halterungslöcher an den emgegen- r.m WtnnLticr^Wer icr ν et (.im cm^M-MI rti to dcml'iii bei der Herstellung einer Folie für ein Lager der oben beschriebenen Art in dem Polieren der beschichteten Oberfläche, um dadurch alle starken flecken /u entfernen oder einen noch glatteren und gleichmäßigeren Obcrflächenendzustaiu! zu erreichen als dies durch die bloße Beschichtung möglich ist. Im allgemeinen sollte jede Folie über ihre ganze Länge eine einheitliche Dicke haben, und zwar unabhängig davon. > >b sie nun in einem ^jjchsenlager. wie in Fig. I gezeigt, in einem Drucklager, wie in F i g. 2 gezeigt, oder in einem linearen Lager, wie in Fig. 5 gezeigt, verwendet wird. Die Gleichmäßigkeit ist wichtig iiir die Bemessung der durch Verschleiß bedingten Lebensdauer und der effektiven Belastbarkeit des Lagers.

Es wird darauf hingewiesen, daß das Trägermaterial, wie die Nickel-Chrom-Titan-Legierung 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 irgenwciehen anderen gewünschten F.igenschaften oder Kennzeichen variieren läßt.

Es wurde festgestellt, daß ein nach den obigen Anweisgungen gebautes Strömungsmittelfolienlnser in der Lage ist, bei Temperaturen von über 260 C" zu arbeiten. Derartige Lager wurden über mehr als JOOOO Start-Stop-Betriebszyklen erprobt sowie bei Betriebsdrehzahlen von weit über lOOOOOUpm. Diese Werte steilen eine weser.tliche Verbesserung gegenüber bekannten Folienlagern dar. die nicht mit den neuartigen, beschichteten Folien ausgestattet sina Der Einbau von beschichteten Folienelementen der beschriebenen Art wird als Ursache für die verbesserten Laufeigenschaften der Lager unter extremen Bedingun gen angesehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Folie für ein hydro- oder pneumodynamisches Folienlager, bestehend aus einem Trägermaterial, das auf der Gleitfläche mit Pelytetrafluoräthylen überzogen ist, gekennzeichnet durch einen Überzug mit bei der Firma E. J. du Pont de Nemours & Co. Inc. unter dem Handelsnamen Tef!on-S Type 958-200 erhältlichem Material.

2. Verfahren zur Herstellung einer Folie nach in Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug durch Aufsprühen oder durch Aufkleben vorher erzeugter Lagen erfolgt

3. Verfahren zur Herstellung einer Folie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die über- η zogene Folie von der Überzugsseite her auf Einbaumaß zugeschnitten wird.