DE2026303A1 - Stabilisiertes Gaslager - Google Patents

Description

TOYODA MACHINE WORKS, LTD, ,
1, 1-chome, Asahimachi,
Kariya, Aichi Prefecture, Japan

Stabilisiertes Gaslager

Bei Gas- oder Luftlagern dient ein unter Druck stehendes Gas als Lagerelement. Es wird einem Zwischenraum zwischen einer Lagerschale und der zu lagernden, sich drehenden Welle zugeführt; der statische Druck des Gasfilms, der sich in dem Zwischenraum ausbildet,dient zur Lagerung der sich drehenden Welle. Derartige Lager haben den Vorteil extrem niedriger Reibung und hoher Genauigkeit. Dem steht jedoch der Nachteil gegenüber, daß diese Vorteileinfolge einer Drehachsenauslenkung der sich drehenden Welle (whirl phenomenon) verloren gehen, wenn die Welle sich mit einer Geschwindigkeit von mehreren zehntausend bis mehreren hunderttausend Umdrehungen pro Minute dreht. Dieses Phänomen ist als Halbfrequenzachsenschwingung bekannt geworden, die normalerweise die Form einer harmonischen Schwingung annimmt, deren Frequenz die Hälfte der Drehfrequenz der Welle beträgt. Bei hoher Drehgeschwindigkeit, die einen bestimmten Wert in Umdrehungen pro Minute überschreitet, beginnt die Achse der ,Welle ebenfalls eine Drehung mit der Hälfte der Drehgeschwindigkeit der Welle; die Achse der Welle folgt dann einer Kreisbahn, deren Radius füff die Drehung der Welle selbst eine gewisse Exzentrizität darstellt. Bei hoher Drehgeschwindigkeit in einem Lager, dessen Lagerung durch den statischen Gasdruck bewirkt wird, ist dieses Phänomen eng mit den dynamischen Eigenschaften des Gasfilmes verbunden. Die dynamischen Wirkungen verändern die Verteilung des statischen Druckes im Lager sehr wesentlich; man geht davon aus, daß die dadurch bewirktet Genauigkeiten

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wünschte Drehachsenauslenkung ausbildet, die erheblich herauf-' gesetzt wird. Auf diese Weise wird die Drehung einer Welle in einem Gaslager bei hohen Drehgeschwindigkeiten erheblich stabilisiert, sowie die Genauigkeit erhöht«

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand dor beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es bedeuten:

Fig. 1 einen Längsschnitt einer Ausftihrungsform der Erfindung,. entlang der Linie X-I in Fig. 25

Fig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie ΪΙ-ΊΙ in Fig. Ii Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Linie HI-III in· Fig. Ij Fig. 4 einen Querschnitt entlang der Linie IV-IV in Fig. Ij

Fig. 5 einen Längsschnitt entsprechend der Darstellung nach . Fig. 1, einer weiteren Aueführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 bis H ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt. Die Welle 1 wird mit hoher Umdrehungsgeschwindigkeit von einem hierzu geeigneten Antriebsmotor (nicht gezeigt) angetrieben. Zwischen dem Gehäuse 2 und der Drehwelle 1 ist die Lagerbuchse 4 schwimmend angeordnet.

Zwischen dem Inneren des Gehäuses 2 und der Außenseite der Lagerbuchse *4 einerseits und der Innenseite der Lagerbuchse U und dem äußeren Umfang der sich drehenden Welle 1 andererseits bilden sich schmale Zwischenräume IH, bzw. IS aus. Innerhalb des Gehäuses 2 sind gegenüber den Endflächen der Lagerbuchse U ringförmige Abdeckteile 7 und 9 befestigt. Beide Enden der sich drehenden Welle 1 gehen durch diese Abdeckteile 7 und 9 hindurch.

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dann sehr stark zunehmen, wenn zwischen der resultierenden Kraft» die durch den dynamischen Gasdruck bewirkt wird, und der Richtung der Wellenverschiebung eine Phasenverschiebung von ungefähr 90° auftritt. In diesem Zustand ist die Drehung der Welle sehr unstabil und ungenau. Bei weiterem Zunehmen wird der Gasfilm, der die Lagerung herbeiführt, unterbrochen und so ein metallischer Kontakt zwischen der Welle und der Lagerschale hergestellt; dies führt unvermeidlich zu einer Beschädigung der Lager.

Es ist bekannt, daß dieses Phänomen dann auftritt» wenn die Drehung der Welle einen bestimmten Grenzwert überschreitet und daß sein Auftreten von der Starrheit des Lagers abhängt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Gaslager zu schaffen, das die aufgezeigten Nachteile nicht mehr aufweist.

Ein stabilisiertes Gaslager, bei dem die Lagerung einer sich mit hoher Umdrehungsgeschwindigkeit drehenden Welle in einem mit Zu- und Ableitungen für ein unter Druck stehendes Gas versehenem Gehäuse durch einen dünnen Film des unter Druck stehenden Gates, der die Welle schwimmend trägt_s erfolgt, ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet» daß zwischen der Welle und dem Gehäuse ebenfalls schwimmend eine Lagerbuchse derart angeordnet ist» daß sich der Film unter Druck stehenden Gases in je einem Zwischenraum zwischen dem Gehäuse und der Lagerbuchse einerseits, sowie zwischen der Lagerbuchse und der Welle andererseits ausbildet und die Lagerbuchse mit Düsen versehen ist, durch die das unter Druck stehende Gas diese in Drehrichtung der Welle antreibt»

Durch die erfinduingsgem䣫 Lösung wird die relative Geschwindigkeit zwischen der sich drehenden Welle und der sie unmittelbar umgebenden Lagerschale erheblich verringert, so daß auch die dynamischen Effekte der Gasströmung herabgesetzt werden* so daß der Grenzwert, oberhalb dessen sieh die uner-

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Zur Zuführung des unter Druck stehenden Gases, sind Durchgänge 8 und 10 in den -ringförmigen Abdeckteilen 7 und 9 vorgesehen, ' um das unter Druck stehende Gas von der Zuleitung 5 zu den Zuleitungen 11 in der Lagerbuchse % zu führen. Diese Durchgänge stellen über die Leitungen Ba und 6b im Gehäuse 2 die Verbindung mit der Zuleitung 5 her.

Die ringförmigen Einkerbungen 8a und 10a, die mit den Durchgängen 8 bzw. 10 in Verbindung stehen, sind an den Enden der ringförmigen Abdeckteile 7 und 9 vorgesehen und stehen in Verbindung mit den Zuleitungen 11; dadurch wird bewirkt, daß das unter Druck stehende Gas, das in die Durchgänge 8 und eingeführt wird, über die ringförmigen Einkerbungen 8a und 10a den Zuleitungen Ii in jeder Drehstellung der Lagerbuchse 4 zugeführt wird.

Zwischen den Endflächen der Lagerbuchse U und den ihnen gegenüberliegenden Flächen der ringförmigen Abdeckteile 7 und 9 entstehen Zwischenräume 20a und 20b. Das von den Durchgängen 8 und 10 herkommende unter Druck stehende Gas füllt die Zwischen räume und bildet so einen aus Gas bestehenden Lagerfilm, der die Lagerbuchse 4 in axialer Richtung in einer bestimmten Stellung hält und so die Reibung herabsetzt. Diese Zwischenräume 20a und 20b stehen über die Durchgänge 21c und 2Id mit der Ableitung 19 in Verbindung.

Beginnt nun die Welle 1 zu rotieren, dann werden die (nicht gezeigten) Zu- und Ableitungsventile für das unter Druck stehende Gas betätigt. Das Gas gelangt über die Zuleitung 5 im Gehäuse 2, die Verbindungsbohrungen 6a und 6b in die gekrümmten Durchgänge 8 und 10 innerhalb der ringförmigen Abdeckplatten 7 und 9 so entlang des ganzen Umfanges des Lagers in die ringförmigen Einkerbungen 8a und 10 und wird den Zwischenräumen 14 und 15 über die von der Zuleitung 11

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Die relativ dicke Wandung des SeMttses *t ist in axialer Richtung mit Bohrungen vergehen. Sie» bilden die 2taleitung 5 und die Ableitung IS für ein" tifitexr Druck st eilendes Sas. In der Lagerbuchse 4· sind» ebenfalls in axialer Richtung;* eine Vielzahl von Zuleitungen 11 Cam besten ersiehtlieh aus fig* 2> und eine Ableitung 18 vorgesehen, deren einander gegenüber« liegende Enden Jeweils ättreh entsprechende Stopfen abgeschlossen sind. Me Zuleitungen 11 erstrecken sich in Längsrichtung» larallel zur Achse der Welle 1» entlang des Ümfanges und sind iri gleichmäßigen Abständen angeordnet. Von ihnen zweigen zum inneren Zwischenraum IS in radialer Richtung» d.h. in Richtung der Achse der Welle 1, eine Vielzahl zueinander paralleler büsen 13 ab. Zu deia Mußeren Zwischenraum 14 zweiger|nehrere schräg angeordnete Düsen 12 afc. Sie verlaufen ebenfalls zueinander parallel» Gegenüber den Zuleitungen 11 haben sie jeweils einen bestimmten Neigungswinkel* Diese schräg geneigten Düsen 12 und die Düsen 13 öffnen sich jeweils in die Zwischenräume 14 und 15. Die Düsen 12 sind in der der Ürehriehtung der Welle 1 entgegengesetzten Richtung geneigt*

Ein Strahl unter Bruch stehenden Gases tritt aus diesen Düsen 12 aus und verleiht so der Lagerbuchse *f ein Drehmoment in derselben Richtung, in der sich auch die Welle 1 dreht, a*h. in Richtung des Pfeiles in Fig, 2*

ϊη die Lagerbuchse 4 ist in axialer Richtung die Ableitung 18 gebohrt; sie ist über eine ringförmige Einkerbung" IG mit dem äufleren Zwischenraul., i¹* und Über die -ringförmige Einkerbung mit dem inneren Zwischenraum IS verbunden. Das unter Druck stehende Gas in der Ableitung 18 wird so über die Verbindungsleitungen 21a und 21b von der Ableitung 18 zur Ableitung 19 geführt _s die in axialer Richtung im Gehäuse 2 vorgesehen ist.

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abgehenden Düsen 12 und 13 zugeführt. Das aus den Düsen 13 ausgestrahlte Gas bildet einen statischen Gasfilm in^f dem inneren Zwischenraum 15. Es stellt gleichsam das Schmiermittel dar, auf dem die Welle 1 läuft. Der äußere Zwischenraum Ϊ4 wird mit dem unter Druck stehenden Gas durch die schräg gestellten Düsen 12 gefüllt. Der statische Druck dieses Gasfilms trägt die Lagerbuchse 4 und die Welle 1 innerhalb dem Gehäuse 2.

Die Lagerbuchse 4 wird von dem Gasstrom, der aus den schräg geneigten Düsen 12 ausströmt, in derselben Richtung gedreht, in der sich auch die Welle 1 dreht; die Drehgeschwindigkeit wird bestimmt und kann entsprechend eingestellt werden durch die Bemessung des Düsenquerschnittes, des Gasdruckes, der Schrägneigung und der Anzahl der Düsen. Die Drehgeschwindig- ■ Jceit der Lagerbuchse 4 kann so im Verhältnis zur Drehgeschwiri^ digkeit der Welle 1 auf einen adäquat kleineren Wert fest-" gelegt werden. Auf diese Weise wird die Relativgeschwindigkeit zwischen der Drehwelle und der Lagerbuchse 4, in der die erstere sich dreht, begrenzt, so daß auch die Grenze, oberhalb der die anfangs geschilderten unerwünschten Effekte (whirl phenomenon) auftreten, in bezug auf die absolute Drehgeschwindigkeit der Welle 1 gegenüber dem Gehäuse 2 erheblich heraufgesetzt wird, so daß bei höheren Umdrehungsgeschwindigkeiten die Drehung der Welle noch stabil ist. Gleichzeitig sorgt der statische Gasdruck in dem äußeren Zwischenraum 14 für einen gewissen Dämpfungseffekt auf die Auslenkbewegung der Drehwelle 1. Auf diese Weise wird auch die erwünschte Genauigkeit aufrecht erhalten.

In der beschriebenen Ausführungsform wird den Zwischenräumen 14 und 15 von derselben Zuleitung her das unter Druck stehende Gas zugeführt; es ist aber möglich, getrennte Zuleitungen für beide Zwischenräume zu verwenden. In diesem Falle hat man

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den Vorteil, daß man die Bemessung dex» Starrheit des Gehäuses 2 in weiteren Grenzen verändern kann.

Line; weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 5 beschrieben. Anders wie bei der oben beschriebenen Ausführungsforr. ist die 'Zuleitung 11a, die in die Lagerbuchse M gebohrt ist, an einem Lnde blind verschlossen. Die schräg geneigten Düsen 12, die von der Zuleitung 11a abzweigen, stehen lediglich ir.it dem Süßeren Zwischenraum 14 in Verbindung; es ist Leine Düse vorhanden, die zu dem inneren Zv?ischenraum 15 führt; demgemäß wird die UeIIe 1 in dem inneren Zwischenraum gegenüber der Lagerbuchse 4 von dem dynamischen Drueic übertragen. Der ringförmige Abdeckteil 9 auf der Seite der Lagerbuchse, an der die Zuleitung 11a verschlossen ist, ist mit einer i:üse 10a versehen, um'das unter Druck stehende Gas den Zwischenraum 20b zuzuführen. Der Druck, der durch den Strahl, der aus der Düse 10a austritt, in axialer Richtung auf die Lagerbuchse 4 ausgeübt wird, dient dazu, den in entgegengesetzter Richtung auf die Lagerbuchse 4 von der Zuleitung 11a her ausgeübten Druck auszugleichen. Die Düse 12, die mit dem Süßeren Zwischenraum 14 in Verbindung steht, ist, ebenso wie in der ersten Ausführungsform» in der der Drehrichtung der Welle 1 entgegengesetzten Richtung geneigt, und wirkt auch in der gleichen Weise. Aus der zweiten Ausf ührungsf orm geht somit hervor- daß die Vielle 1 entweder durch statischen Gasfilm, wie in der ersten Ausführungsfoxw oder durch einen dynamischen Gasfilra wie in der zweiten Ausführungsform gelagert werden kann. Die zweite Ausführung6for» ist se bemessen, daß das unter Druck stehende Gas nicht von der Öffnung der Zuleitung 11a in die Lagerbuchse 4 eine Leckströmung in den äußeren Zwischenraum 14 bilden kann. Zu diesem Zweck ist ein Flansch 22 vorgesehen, der entlang des Umfanges der Lagerbuchse 4 vorgesehen ist und so bemessen ist, daß er die gegenüberliegende Außenfläche des ringförmigen Abdeckteiles 7 umfaßt und so die Zuleitung lla abschirmt. Auf

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diese Weise kann das unter Druck stehende Gas wirksam allein der Zuleitung 11a Über die Zuleitung 5, Durchgänge 6a und 8, sowie die ringförmige Einkerbung 8a zugeführt werden.

Bei beiden Ausführungsformen ist also eine Lagerbuchse 4 vorhanden, die mit geeigneter Geschwindigkeit in derselben Richtung gedreht wird, in der sich auch die Welle 1 dreht. Die Lagerbuchse ist schwimmend zwischen der Welle lund dem Gehäuse 2 angeordnet. In einem inneren und einem äußeren Zwischenraum 14 bzw. 15, der innerhalb bzw. außerhalb der Lagerbuchse 4 entsteht, bildet sich so ein Film unter Druck stehenden Gases, der wie ein Schmiermittel für die Lagerbuchse und die sich in ihr drehende Welle wirkt. So entsteht der Effekt einer automatischen Ausrichtung der Drehachse der Welle gegenüber jeder Auslenkbewegung und eine Dämpfung dieser Auslenkbewegung, sobald sie beginnt einzutreten. Außerdem wird die Grenze für das beschriebene störende Phänomen durch die Drehung der Lagerbuchse 4 erheblich angehoben. Das führt zu einer längeren Lebensdauer des Lagers, zu seiner Stabilisierung und zu höherer Genauigkeit. Das Lager kann außerdem in einer Stoßrichtung justiert werden. ■

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   f 1. !Stabilisiertes Gaslager, bei dem die Lagerung einer sich mit —hoher Umdrehungsgeschwindigkeit drehenden Welle in einem mit Zu- und Ableitungen für ein unter Druck stehendes Gas versehenem Gehäuse durch einen dünnen Film des unter Druck stehenden Gases, der die Welle schwimmend trägt, erfolgt,, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Welle (2) und dem Gehäuse (2) ebenfalls schwimmend eine Lagerbuchse (H) derart angeordnet ist, daß sich der Film unter Druck stehenden Gases in je einem Zwischenraum (IH, 15) zwischen dem Gehäuse (2) und der Lagerbuchse (H) einerseits, sowie zwischen der Lagerbuchse (H) und der Welle (1) andererseits ausbildet und die Lagerbuchse (H) mit Düsen (12) versehen ist, durch die das unter Druck stehende Gas diese in Drehrichtung der Welle (1) antreibt.

   2. Stabilisiertes Gaslager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Lagerbuchse (H) eine Zuleitung (11), eine Ableitung (18) und Düsen (12, 13, 17, 21a bis 2Id) vorgesehen sind, die von ihr in Richtung auf das Gehäuse (2), bzw. in Richtung auf die Welle (1) abgehen, vorgesehen sind und das unter Druck stehende Gas vom Gehäuse (2) über die Zuleitung (lla) und die zu beiden Seiten der Lagerbuchse (H) vorgesehenen Zwischenräume (IH, 15) in die Ableitung (18)und von dort in die Ableitung (19) im Gehäuse (2) gelangt.

   3. Stabilisertes Gaslager nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Düsen (12), die die Lagerbuchse CM) in Drehung versetzen,von der Zuleitung (lia) in der Lager buchse (H) zu dem Gehäuse (2) führen und in der der Drehrichtung der Welle (1) entgegengesetzt«η Drehriohtung geneigt sind.

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   - ίο -

   ·*. Stabilisiertes Gaslager nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuleitung (lla) in der Lagerbuchse (U) ein verschlossenes Ende aufwogst und allein mit dem äußeren Zwischenraum Cl¹¹O in Verbindung steht, so daß die sich drehende Welle Cl) allein von dem dynamischen Druck in dem inneren Zwischenraum (15) getragen wird.

   5. Stabilisiertes Gaslager wach Anspruch 's*, dadurch gekenn- £ zeichnet, daß das eine End® der Lagerbuchse Cf) mit einem Flansch (22) versehen ist* der eich in. radialer Richtung von außen her zu einem Teil über einen am Gehäuse (2) fest befestigten ringförmigen Albdeckteil (?) weg ergtreckt, welcher gegenüber der Endfläche der* Lagerbuchse (Ό angeordnet ist.

   6. Stabilisiertes Gaelagex» naeii Änspä^ueh i bis H, dadurch

   gekennzeichnet, - daß mit ex» B^uck stehendes Sas dem äußeren (I¹*), bzw. dem innerem Zwischenraum ClS) jeweils getrennt zugeführt wird.

   ^ · 7, Stabilisiertes Gaslager nach An8p$>n®h I₉ dadurch gekenn» " zeichnet, daß der ringförmige AMeckteii CS), der gegenüber dem Ende der Lagerbüchse* <H> angeordnet ist, an den die in der Lagerbuchse (**) vorgesehene Zuleitung- CiIa) verschlössen ist» mit eines*.-OQs*e ClOa) yepsehen igt» die ebenfalls mit der Zuleitung CS) ve^&ünäen ist«,

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