DE2300774A1 - Vorrichtung zur steuerung der flussraten zu mindestens zwei hydrostatischen lagerausnehmungen - Google Patents

Description

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28. Dez. 1972

The Ingersoll Milling Machine Company 707 Fulton Avunue
Rockford, 111. 61101, USA

Vorrichtung zur Steuerung der Flußraten zu mindestens zwei hydrostatischen Lagerausnehmungen

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Steuerung der kontinuierlichen Flußraten eines Druckmittels von einer Druckquelle zu mindestens zwei hydrostatischen Lagerausnehmungen (La gerkissen) .

Eine solche Vorrichtung ist schon bekannt aus dem US-Patent 3 442 560;bei dieser Vorrichtung wird der Fluß des einem Paac

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hydrostatischer Lagerkissen zugeleiteten Druckmittels automatisch reguliert und ausgesteuert und die hydrostatischen Lagerausnehmungen bzw. Lagerkissen sind an entgegengesetzten Seiten eines beweglichen Elementes angeordnet,beispielsweise einer drehbaren Welle oder eines verschiebbaren Maschinenelementes und bilden eine reibungslose Lagerung für ein solches Element.

Zur einwandfreien Funktion der bekannten Vorrichtung ist es notwendig , daß im anfänglichen Gleichgewicht die jeweiligen Spaltbreiten, die die Zuflüsse des hydraulischen Druckmittels zu den Lagerkissen beeinflussen, absolut gleich sind, was eine hochpräzise Bearbeitung der entsprechenden Flächen erforderlich macht und daher auch entsprechend kostspielig ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, hier für Abhilfe zu sorgen und eine Vorrichtung zur Steuerung der kontinuierichen Flußraten zu den hydrostatischen Lagern zu schaffen, bei welcher mit einfachen Mitteln ein anfängliches Flußgleichgewicht hergestellt werden kann, so daß die Funktion der Vorrichtung bei Belastung des zu lagernden Elementes einwandfrei ist, trotzdem jedoch hochpräzise Bearbeitungsvorgänge an den das Druckmittel steuernde Flächen nicht notwendig sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von der eingangs genannten Vorrichtung zur Steuerung und besteht erfindungsgemäß darin, daß ein gegenüberliegende Wände ausbildendes Gehäuse und ein dazwischen angeordnetes Trennelement in fester Verspannung an ihren Umfangen vorgesehen sind und zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Trennelementes und den Gehäusewänden flüssigkeitsdichte Hohlräume gebildet sind, wobei den zentralen Bereich des Trennelementes bildende Anordnungen vorgesehen sind, die gegenüberliegende flache Oberflächen definieren, die zur Bildung dünner paralleler Spalte mit gegenüberliegenden

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Wandbereichen in Wirkverbindung stehen, mit sich nach außen " durch die Wände erstreckenden und von den Spaltmittelbereichen ausgehenden Durchlässen, daß die die Spalte umgebenden Trennelementbereiche zur Bildung einer sich als Folge von unterschiedlichen, sich zwischen den beiden Durchlässen entwickelnden Druckdifferenzen in axialer Richtung abbiegenden Membran ausreichend dünn sind und daß eine der Wände in Richtung auf das Trennelement zur Veränderung des von dieser Wand und der gegenüberliegenden Trennelementfläche gebildeten Spalts axial verschiebbar ist und daß dem Gehäuse von außen zugängliche und selektiv betätigbare Einstellmittel zugeordnet sind zur Veränderung der Breite des einstellbaren Spaltes zur genauen Anpassung an die Spaltbreite des anderen Spaltes.

Die Erfindung ermöglicht also eine leichte anfängliche und extrem feinfühlig arbeitende Einstellung der relativen Spaltbreiten zur Steuerung und Kontrolle des kontinuierlichen Durchflusses des unter Druck stehenden Druckmittels zu den jeweili-

der gen Lagerkissen. Zu diesem Zweck ist eineAin Verbindung mit der Membran einen Spalt bildenden Wände nachgiebig flexibel ausgebildet und kann in Richtung auf die Membran abgebogen werden, auf diese Weise gelingt es, da die Membran und die Innenseite dieser Wand den Spalt bilden, die Spaltbreiten mit hoher Präzision gleichzumachen. Es gelingt auf diese Weise mit geringstem Kostenaufwand Spalte mit exakt genau gleichen Spaltbreiten herzustellen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung sind noch Mittel vorgesehen, die eina selektxve Einstellung der abbiegbaren Spaltwand ermöglichen, auch ist in einer vorzugsgemäßen Ausgestaltung der Aufbau der die inneren Wände der den Durchfluß steuernden Spalte bildenden Membran vorteilhaft neugestaltet.

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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und in diesen niedergelegt.

Im folgenden werden Aufbau und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren im einzelnen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Steuerung der Durchflußraten für ein hydrostatisches Lager, wobei der Schnitt entlang der Linie 1-1 der Fig. 2 und 3 erfolgt ist, die

Fig. 2

und 3 stellen Schnitte entlang der Linie 2 -2 und 3-3 der Fig. 1 dar, während

Fig. 4 in perspektivischer Ansicht die als Trennwand ausgebildete Membran zeigt.

In den Zeichnungen ist die Erfindung dargestellt in der Vorrichtung 10 zur Regelung bzw. Kontrolle des kontinuierlichen Flusses eines Fluidums von einer Druckquelle 11 zu Ausnehmungen bzw. sogenannten Pads 12 und 13 (Dämpfungsgliedern), die in gegenüberliegende Oberflächen 14 und 15 eines Lagers 16 eingelassen sind, um eine reibungsfreie Lagerung für ein bewegliches Element, beispielsweise eine Drehwelle 17 zu erzielen. Die Ausnehmungen 12 und 13 können von beliebiger gewünschter Form sein, wobei die Oberflächen der diese Ausnehmungen umgebenden Lagerschwellen 14 und 15 von der gegenüberliegenden Oberfläche der Welle 17 um einige Tausendstel Zoll bzw. cm, üblicherweise zwischen 0,00254 bis 0,013 cm im Abstand gehalten sind, in Abhängigkeit von der

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Größe der Ausnehmungen 12 und 13 und der zu tragenden Belastung. Die Spiele 14a und 15a erlauben ein kontinuierliches Hinausfließen des unter Druck stehenden Pluidums in sämtliche Richtungen von den Ausnehmungen längs der Lagerschwellen.

Die Vorrichtung 10 umfaßt ein Gehäuse, das von seitlichen Blöcken 18 und 19 gebildet ist, die voneinander getrennt sind durch eine Trennplatte 21 und eine Platte 22; sämtliche vier genannten Elemente 18, 19, 21 und 22 weisen um ihre: äußeren Umfange flache Oberflächen auf und sind mittels Schraubbolzen 23, die sich durch zueinander ausgerichtete Bohrungen 24 erstrecken, fest zusammen gespannt, die Bohrungen sind dabei winkelmäßig zueinander im Abstand gehalten und laufen durch diese vier Teile. Eine flache und vorzugsweise kreisförmige Oberfläche 25 auf der Innenseite und im Mittelpunkt des einen Seitenblocks 18 steht mit der gegenüberliegenden flachen Seitenfläche 26 der Trennplatte 21 in Wirkverbindung und bildet einen engen Spalt 27, vorzugsweise und üblicherweise mit einer Dicke zwischen 0,005 cm bis 0,0254 cm. In seinem Mittelpunkt steht der Spalt 27 mit einem Durchlass 28 geringen Durchmessers in Verbindung, der zum inneren Ende einer Bohrung 29 führt, von dort durch einen Fitting 31 und eine geeignete Rohrleitung zu der Ausnehmung 12.

Eine ringförmige, an der Innenseite des Seitenblockes 18 eingeformte bzw. ausgebildete Nut 32 steht mit der gegenüberliegenden trennenden Oberfläche 26 in Wirkverbindung und bildet einen Hohlraum 33 aus, der über einen Durchlaß 34, einen geeigneten Pitting und eine Leitung mit der Hochdruckquelle Il in Verbindung steht/ wobei das Druckmittel Üblicherweise auf einem Druck zwischen 21,1 kg/cm bis 105,5 kg/cm entsprechend der zu tragenden Belastung gehalten wird. Durch eine Querbohrung 36 im äußeren Handbereich der Trennplatte 21 wird das unter Druck stehende Druckmittel bzw. Fluidum einem ringförmigen Hohlraum 37

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zugeführt, der definiert ist durch eine in die andere Endfläche der Trennplatte 21 eingeformte Ausnehmung 38 und einer Ausnehmung 39 in der Innenseite der Platte 22.

Der innere Wandbereich 41 der Ausnehmung 38 bildet dabei den äußeren zylindrischen Umfang eines erhabenen knopfartigen Bereiches 42, der einstückig ausgebildet ist mit der Trennwand 21 und sich von ihrem Mittelpunkt bis kurz vor eine fläche Endfläche 43 erstreckt, die sich auf der Innenseite der Platte 22 befindet. Dabei entspricht die kreisförmige Endfläche 44 des knopfartigen Bereiches 42 in ihrem Durchmesser dem Durchmesser des Spaltes 27 und steht mit der flachen Endfläche 43 in Wirkverbindung zur Bildung eines engen Spaltes 45 zur Steuerung des Druckmittelflusses von dem Hohlraum 37 zur anderen Lagerausnehmung 13 (bearing pad). Ein solcher Druckmittelfluß erfolgt vom Mittelpunkt deg Spalts 45 durch eine Querbohrung 46 in der Platte 22 über einen Schlitz 47, der sich quer über das innere Endteil einer Stange 48 erstreckt bis zu einer ringförmigen Ausnehmung 49 auf der Innenseite des anderen Seitenblocks 19. Von dieser ringförmigen Ausnehmung 49 gelangt dann das Druckmittel über eine Bohrung 51, einen Fitting 52 und eine geeignete Rohrleitung zu der anderen Lagerausnehmung, die auch als Lagerkissen bezeichnet werden kann. Der Durchmesser de? Spalts 45, wie dieser bestimmt ist von der Endfläche 44 des knopfartigen Bereiches 42 ist hierbei gleichgemacht dem Durchmesser de? Spalts 27, dieser Durchmesser ist bestimmt von dem Durchmesser der inneren Wand der Nut 32 in dem ersten Seitenblock 18.

Die Trennplatte 21 besteht aus elastisch nachgiebigem Material, beispielsweise Stahl, wobei der ringförmige Bereich derselben zwischen dem Boden der Ausnehmung 38 und der gegenüberliegenden Endfläche 26 dünn gemacht ist, etwa zwischen 0,005 bis 0,254 cm, jeweils in Abhängigkeit von dem Durchmesser, um eine Membran 53

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zu bilden, die als Folge eines seitlichen Belastungswechsels der Welle 17 axial biegbar bzw. verschiebbar ist, was zur Entwicklung eines differentiellen Druckunterschiedes, beispiels-

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weise um 7 kg/cm zwischen den Drücken des Druckmittels in den Spalten 27 und 45 führt. Wird beispielsweise die gelagerte Welle 17 in einer Richtung überladen, um so das Sehwellenspiel bzw. den Schwellenabstand der Lagerausnehmung 13 zu reduzieren, dann wird der sich daraus ergebende Druckanstieg in dieser Lagerausnehmung auf den Spalt 45 zurückübertragen, wobei der dabei auftretende reduzierte Druck in der Lagerausnehmung 12 und dem Spalt 27 die Membran dazu zwingt, sich unter dem Einfluß des verstärkten Druckes zu verbiegen und den Spalt 45 weiter zu öffnen und einen verstärkten Fluß des unter hohem Druck stehenden Druckmittels zur Lagerausnehmung 13 zu ermöglichen. Ein solcher Fluß geht weiter, bis der verstärkte Druck der Lagerwelle überwunden worden ist und die Filmdicken um die beiden Lagerausnehmungen wieder gleich gemacht worden sind. Die Verwendung der Membran 53 in dieser Weise entspricht der Wirkung des sogenannten Diaphragmas 8 in dem weiter vorn schon genannten US-Patent 3 442 560.

Um die Membran und die beiden Spalte 27 und 45 bei der Regelung des Flusses des Hochdruckmittels zu einem hydrostatischen Lagersystem mit einem Doppellagerkissen bzw. mit Doppellagerausnehmungen 12 und 13 der obigen Art zu verwenden, ist es wichtig, daß die beiden Spalte 27 und 45 von genau der gleichen Breite sind, wenn auf das gelagerte Element, d.h. auf die Welle 17 zum gegebenen Zeitpunkt keine Belastung ausgeübt wird, so daß der Druck in den beiden Lagerkissen bzw. Lagerausnehmungen 12 und 13 gleich ist. Die Membran befindet sich dann in der in Fig. 1 gezeigten zentrierten Position und die Spalte 27 und 45 sind von gleicher Breite. Ein Unterschied von nur 0,000254 cm in der Breite der Spalte kann schon zu einer Dif-

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ferenz in den beiden Durchflußraten des Druckmittels von bis zu 30% führen. Es ist schwierig und extrem kostspielig, selbst mit Hilfe einer Präzisionsfeinbearbeitung der die Spalte definierenden Oberflächen zu einer extrem genauen Gleichmachung der beiden Spaltbreiten zu gelangen. Die Erfindung löst dieses Problem und gewinnt eine derartig hohe Präzision dadurch, daß die äußere Wand des einen Spaltes, beispielsweise beim Ausführungsbeispiel des Spaltes 45, flexibel genug gemacht wird, um eine axiale Abbiegung bzw. Verbiegung und eine Einstellung der Wandposition von außerhalb der Vorrichtung zu ermöglichen, so daß die Breite des einstellbaren Spaltes 45 mit der gewünschten extremen Genauigkeit der des festen Spaltes 27 angepaßt werden kann.

Zu diesem Zwecke befindet sich die äußere Wand 43 des Spaltes 45 auf einer getrennten Platte 22, die mit einem ringförmigen Bereich 39 ausgebildet ist, der dick genug ist, um in einer festen axialen Position auch unter dem Einfluß der Drücke in dem Spalt zu verbleiben, die während des Betriebes entstehen können, der jedoch durch eine externe aufgebrachte Kraft geeig-

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neter Stärke axial abbiegbar ist, um es so der Wand 43 ermöglichen, sich auf die Endfläche 44 des knopfartigen Bereiches 42 zuzubewegen, bis der Spalt 45 auf eine genauestens der festen Spaltbreite des Spaltes 27 entsprechende Breite reduziert ist.

Zwar kann eine solche Abbiegung der Platte 22 durch Einstellmöglichkeiten verschiedener Art durchgeführt werden, bevorzugt wird jedoch eine differentielle Schraubvorrichtung 56, die selektiv und von Hand betätigbar ist, um die Stange 48 vorzuschieben, die in einer Bohrung 57 in dem Seitenblock 19 gleitend gelagert ist und mit ihrem inneren Ende 58 am Mittelpunkt der auch als Einstellplatte zu bezeichnenden Platte 22 angreift. Gegen eine

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Drehbewegung wird die Stange 48 festgehalten durch einen Querzapfen 59, der in einem Schlitz 61 in dem Seitenblock 19 gehalten ist, weiterhin ist die Stange von einem Dichtring 62 umgeben. Am äußeren Endbereich der Stange 48 ist ein Gewinde 63 vorgesehen, welches sich im Eingriff befindet mit einem Innengewinde einer Mutter 64, die selbst noch über ein Außengewinde verfügt, jedoch mit gröberer Steigung, und die in das äußere Ende einer Bohrung in dem Seitenblock 19 eingeschraubt ist. Der mit einer Ausnehmung versehene Kopf 65 der Mutter ist zur Bewirkung einer manuellen Verdrehbewegung freigelegt, wobei aufgrund der Schraubgewinde mit nur geringfügig unterschiedlicher Steigung ein Vorschub der Stange 48 mit extrem langsamer Rate möglich ist, so daß eine sehr feine Einstellung der Wand 43 und damit der Breite des Spaltes 45 vorgenommen werden kann.

Da nunmehr zur anfänglichen präzisen Gleichmachung der Spaltbreiten der Spalte 27 und 45 die abbiegbare und einstellbare Wand 43 verwendet wird, werden die Oberflächen der Seitenblöcke 18 und 19, der Trennplatte 21 und der Platte 22 maschinell so

bearbeitet, daß nach einem anfänglichen Zusammenspannen der Teile mit Hilfe der Schraubbolzen 23 dem Spalt 27 eine feste Spalfebreite verliehen wird, während man den Spalt 45 mit einer etwas größeren Breite herstellt. Dann dreht man den Kopf 65 der Differentialmutter und verschiebt die Stange 48 längs der Bohrung 57_r bringt deren inneres Ende 58 in Kontakt mit der Platte 22 und biegt diese schließlich so weit, bis der Spalt'45 exakt auf eine Breite reduziert ist, die genau der festen Spaltbreite des Spaltes 27 entspricht. Das erforderliche Ausmaß der Verbiegung der Platte 22 kann bestimmt werden, indem man die nach außen verlaufenden Druckmittelflüsse durch die Spalte vergleicht und die Breite der Spaltes 45 reduziert, bis die FluBrateri präzise angeglichen sind.

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Es versteht sich, daß durch die Verwendung einer axial flexiblen Platte 22 und mit Hilfe der differentiellen Mutterverstellung Herstellung und Zusammenbau der.Teile leicht und mit geringsten Kosten erfolgen können, wobei es mit extremer Genauigkeit gelingt, vor Inbetriebnahme der Lager den beiden Breiten der Spalte 27 und 45 genau die gleichen Abmessungen zu verleihen.

Die Erfindung ist auch besonders vorteilhaft im FaIIe₁ daß das zu lagernde Element relativ lang und eine Vielzahl von Lagerkissen bzw. Lagerausnehmungen notwendig sind, um die gewünschte reibungslose Lagerung zu erzielen, beispielsweise bei dem Arbeitstisch eines Maschinenwerkzeugs. Bei solchen Installtionen können die auf Membranen beruhenden erfindungsgemäßen Gestaltungen und Anordnungen, wie sie weiter vorne beschrieben worden sind, Seite an Seite im Abstand zueinander,jedoch entlang einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein, man erzielt auf diese Weise optimale Kompaktheit. Vorteilhaft kann es auch sein, wenn man Membranen mit knopfartigen Erhebungen verwendet, die Oberflächen viereckiger bzw. rechteckiger Form definieren anstelle der kreisförmigen, beim Ausführungsbeispiel beschriebenen Anordnungen.

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   Patentansprüche

   Vorrichtung zur Steuerung der kontinuierlichen Flußraten eines Druckmittels von einer Druckquelle zu mindestens zwei hydrostatischen Lagerausnehmungen (Lagerkissen) , dadurch gekennzeichnet, daß ein gegenüberliegende Wände (18,. 22, 19) bildendes Gehäuse (10) und ein dazwischen angeordnetes Trennelement (21) in fester Verspannung an ihren Umfangen vorgesehen sind und zwischen den gegenüberliegenden Seiten des Trennelementes (21) und den Gehäusewänden flüssigkeitsdichte Hohlräume (33, 37) gebildet sind, wobei den zentralen Bereich des Trennelementes (21) bildende Anordnungen vorgesehen sind, die gegenüberliegende flache Oberflächen (44) definieren, die zur Bildung dünner paralleler Spalte (27, 45) mit gegenüberliegenden Wandbereichen (25, 43) in Wirkverbindung stehen, mit sich nach außen durch die Wände (18, 22, 19) erstreckenden, von den Spaltmittelbereichen ausgehenden Durchlässen (20, 29; 47, 49, 51), daß die die Spalte (27, 45) umgebenden Trennelementbereiche zur Bildung einer sich als Folge von unterschiedlichen, sich zwischen den beiden Durchlässen entwickelnden Druckdifferenzen in axialer Richtung abbiegenden Membran ausreichend dünn sind, und daß eine der Wände (22) in Richtung auf das Trennelement (21) zur Veränderung des von dieser Wand (22) und der gegenüberliegenden Trennelementfläche (44) gebildeten Spalts (45) axial verschiebbar ist und daß dem Gehäuse (19, 10) von außen zugängliche und selektiv betätigbare Einstellmittel (48, 64) zugeordnet sind zur

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   Änderung der Breite des einstellbaren Spaltes (45) zur genauen Anpassung an die Spaltbreite des anderen Spaltes (27),
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1/ dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen dem Trennelement (Trennplatte 21) und der beweglichen Wand (Platte 22) gebildete Spalt (45) in seiner Spaltbreite bei nicht beeinflußter Platte (22) größer ist als die Spaltbreite des anderen Spaltes (27) und daß zur Anpassung der Spaltbreite dieses Spaltes (45) an den anderen Spalt mit Hilfe der Einstellmittel eine Spaltbreitenreduzierung bewirkbar ist.
3. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die bewegliche Wand den·zentralen axial abbiegbaren Bereich einer Platte (22) darstellt, die zwischen die Umfangsbereiche der Trennplatte (22) und dem angrenzenden Teil des Gehäuses (Seitenblock 19) eingespannt ist.
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Wand des ersten Spaltes (27) definiert ist von der flachen Endfläche (26) der Trennplatte (21) und daß die innere Wand des anderen Spaltes (45) definiert ist von dem Endbereich (44) eines knopfartigen Bereiches (42), der von dem dünnwandigen Bereich der Trennplatte (21) hervorspringt.
5. 5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die aktive Endfläche des knopfartigen Bereiches (42) kreisförmig ausgebildet ist.
6. 6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der dem in

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   seiner Spaltbreite beeinflußbaren Spalt (45) definierenden Wand eine Differentialverschraubung vorgesehen ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß
   zur Spaltbreiteneinstellung des Spaltes (4s) eine in einer Bohrung des Gehäuses (19) gleitend angeordnete Stange (48) vorgesehen ist, mit einem Gewinde is hinteren Bereich, auf welche eine Mutter (64) mit einem Außengewinde größerer
   Steigung aufgeschraubt und in den Gehäuseteil (Seitenblock 19) eingeschraubt ist.

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