DE2337844A1 - Hydrodynamisches lager - Google Patents

Description

Hydrodynamisches Lager

Kugellager sind weit verbreitet und werden in Instrumenten und Geräten verschiedenster Art verwendet. Beim Einsatz für bestimmte Instrumente oder Gerate, beispielsweise Kreiseln, stellt ein Kugellager jedoch eine Hauptquelle für Fehlerdrehmomente dar, welche eine Kreiseldrift zur Folge haben.

Insbesondere verursachen die bisher verwendeten Kugellager Vibrationen im Kreisel, und zwar aufgrund von geometrischen Abweichungen der Kugeln und des Gehäuses. Diese Vibrationen wiederum beeinflussen die "g"-Empfindlichkeit des Kreisels und verursachen Drift. Außerdem verursachen die dynamischen Reaktionen der Kugeln der Kugellager fehlerhafte Momente, welche mit der Lebensdauer des jeweiligen Geräts wachsen und somit den Verschleiß beschleunigen.

Das Verhalten vieler Kreisel mit Kugellagern ist von Luftdruckdrehmomenten beeinflußt, welche mit der Zeit sich ändern, wenn das Vakuum um den Kreiselrotor herum von Schmiermitteldämpfen und dergleichen verunreinigt wird. Dies hat zur Folge, daß das Aufwärmvermögen von Kreiseln mit Kugellagern verlangsamt ist und Langzeitinstabilität begünstigt wird.

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Aufgabe der Erfindung ist es, diese Schwierigkeiten zu beheben. Dies ist durch die in den Ansprüchen angegebenen Maßnahmen und Merkmale erreicht.

Durch die Abdichtung des Lagerzapfens mittels einer nicht-netzenden Flüssigkeit, wie beispielsweise Quecksilber, sind Luftdruckwirkungen ausgeschlossen bzw. auf ein Mindestmaß reduziert, desgleichen die Möglichkeit der Verunreinigung durch Schmiermitteldämpfe.

Beim erfindungsgemäßen Lager sind keine Wälzelemente vorgesehen, welche Vibrationen hervorrufen könnten, so daß auch mechanische Geräusche auf ein Mindestmaß reduziert sind. Dies hat eine beträchtliche Verbesserung des Verhaltens der mit dem erfindungsgemäßen Lager ausgestatteten Kreisel zur Folge, weil mechanische Geräusche vom Rotorlager des Kreisels her eine Hauptquelle für dessen unverhersehbaren, fehlerhaften Betrieb darstellen.

Dieses niedrige Niveau mechanischer Geräusche und die wirksame Schmierung des erfindungsgemäßen Lagers ergeben im Vergleich zu den bekannten Kugellagern ein besseres ßetriebsverhalten. Da darüberhinaus das erfindungsgemäße Lager kein Kugellagerschmieröl hoher Viskosität benötigt, ergeben sich keine Schwierigkeiten beim Anlauf der mit'dem erfindungsgemäßen Lager versehenen Instrumente, ferner ist der Anlaufverschleiß gegenüber demjenigen bei Kugellagern vermindert. Das AnIaufverhalten von Instrumenten und Geräten mit einem erfincbngsgemäßen Lager ist sogar demjenigen von Instrumenten und Geräten mit reinen Gaslagern überlegen, wenn als Schmiermittel ein inkompressives Strömungsmittel vorliegt.

Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen hydrodynamischen Lagers in einem Kreisel ermöglichen die Abdichtungen aus nicht-netzender Flüssigkeit, wie Quecksilber, daß der

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Kreiselrotor in einem stabilen Vakuum rotiert, ohne daß merkliche Leistungsverluste aufgrund von Luftdruckwirkungen gegeben wären. Die Stabilität des Vakuums ist bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Lagers nicht durch den Dampfdruck des Lagerschmiermittels begrenzt, wie bei dem Einsatz von Kugellagern. Das erfindungsgemäße Lager ist daher vor allem für den Einsatz, in Räumen mit niedrigem Vakuum geeignet.

Eine Flüssigkeitsabdichtung ist in der US-PS 3 567 231 geoffenbart. Andere, im Vakuum einsatzbare Abdichtungen, wie beispielsweise solche mit O-Ringen, erfordern starke Antriebe, um das durch die Reibung hervorgehobene Widerstandsmoment zu überwinden. Wiederum andere, für den Einsatz im Vakuum geeignete Abdichtungen, sind verwikkelt und nur begrenzt verwendbar (Artikel "Sealing Techniques for Rotary in Vacuum" von Courtney, Levelle, Britton und Denholm in "Astronautics and Aeronautics", Februar 1964-, S. 21).

Demgegenüber ist das erfindungsgemäße Lager einfach und unkompliziert, verhältnismäßig klein und praktisch ohne Reibungsverluste.

Hit der Erfindung ist auch dafür Sorge getragen, daß der übliche Balg überflüssig wird, der bekanntlich dazu verwendet wird, um Volumenänderungen der in dem Lager enthaltenen Flüssigkeit bei Temperaturwecliseln aufzunehmen. Beim erfindungsgemäßen Lager ist eine Lufttasche vorgesehen, welche Volumenänderungen der Lagerflüssigkeit ausgleicht. Eine solche Lufttanohe trägt auch dazu bei, daß das Lager kloin gehalten werden kann.

Der Flüssigkeitsfilm im erfindungsgemäßen Lager kann äußerst dünn sein. Beispielsweise kann die Dicke in der Grö-

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ßenordnung von etwa 6/1000 mm liegen. Da außerdem der Film entlang einer verhältnismäßig großen Berührungsfläche anliegt, ist die Wärmeleitfähigkeit durch den Film hindurch groß, so daß hohe Temperaturgradienten Inn erhalt) des Lagers vermieden sind.

Nachstehend ist eine Ausführungsform der Erfindung anhand der Zeichnung beispielsweise beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes hydrodynamisches Lagerj

Fig. 2 den oberen, rechten Teil des Längsschnitts gemäß Fig. 1 in größerem Maßstab}

Fig. 3 und 4- jeweils eine graphische Darstellung zur Verdeutlichung der Wirkungsweise des erfindungsgemäßen Lagers; und

Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen Kreisel mit einem erfindungsgemäßen Lager gemäß Fig. 1 und 2.

Das als Patrone ausgebildete hydrodynamische Lager weist einen Lagerzapfen 1 mit einer Axialbelastungen aufnehmenden Ringscheibe 2 an einem Ende auf, drehbar angeordnet in einem Gehäuse 3 und darin eingeschlossen mittels einer ringförmigen Stirnkappe 4. Der Lagerzapfen 1 ist an der Oberfläche abschnittsweise mit Spiralnuten versehen. Desgleichen ist die Ringscheibe 2 an der Oberfläche teilweise mit Nuten versehen.

Vorzugsweise ist sowohl der Lagerzapfen 1 als auch die Ringscheibe 2 mit einer verschleißfesten Beschichtung versehen, beispielsweise aus Wolframkarbid, aufgebracht durch

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Flammenspritzen. Mit einer solchen Beschichtung ist praktisch jeder Verschleiß vermieden, selbst bei dem Stillsetzen und Anlaufen des mit dem Lager versehenen Instrumentes. Aufgrund von Kapillarwirkung wird !flüssigkeit ständig in den kleineren Lagerspalten gehalten, selbst wenn das Lager bzw. dessen Zapfen 1 nicht umläuft. Das Lager kann daher jederzeit anlaufen.

Um ein Ausdehnen der Lagerflüssigkeit zu ermöglichen, sind Ausnehmungen vorgesehen, beispielsweise radiale Kanäle 5 in der Ringscheibe 2 und / oder einer Ringnut 6 im Lagerzapfen 1 neben der Ringscheibe 2.

Am Umfang ist die Ringscheibe 2 mit einer Ringnut 7 von V-förmigem Querschnitt versehen. Die Ringnut 7 wirkt als Kollektor, indem die auf die den Zapfen 1 und die Ringscheibe 2 umgebende Flüssigkeit höherer Dichte einwirkenden Zentrifugalkräfte jede etwaige Dampf blase in das von den Kanälen 5 gebildete Reservoir zwingen.

Zur Abdichtung des Lagerzapfens 1 im Gehäuse 3 ist der Lagerzapfen 1 an beiden Enden jeweils mit einer Ringnut

8 von V-förmigem Querschnitt versehen, der einem Einlaßkanal

9 im Gehäuse 3 bzw. in der Stirnkappe 4 gegenüberliegt. Dadurch wird eine unbenetzbare Flüssigkeit, beispielsweise Quecksilber, zugeführt. Die Lagerflüssigkeit, vorzugsweise niedriger Viskosität und mit niedrigem Dampfdruck, beispielsweise 1-0cten , wird über einen Einlaßkanal 10 im Gehäuse 3 eingegeben.

In Fig. 2 ist die Abdichtung des Lagerzapfens 1 im Gehäuse 3 an der in Fig. 1 rechten Stirnseite des hydrodynamischen Lagers dargestellt. Wie daraus ersichtlich, ist der Ringraum 20 zwischen der Ringnut 8 und der Bohrung der Stirnkappe 4 mit Quecksilber gefüllt, so daß sich ein Quecksilber-

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ring zwischen Lagerzapfen Λ und Stirnkappe 4- des Gehäuses im Bereich der Lagerzapfen-Ringnut 8 ergibt.

Zusätzlich kann in dem Ringraum zwischen dem Ende des Lagerzapfens 1 und der Bohrung der Stirnkappe 4- ein dünner Film 22 aus Vakuumpumpenöl niedrigen Dampfdrucks vorgesehen sein. Dieser Film 22 liegt unmittelbar neben dem dichtenden Quecksilberring und hält diesen im Ringraum 20. An den benachbarten, umlaufenden Kanten der Stirnkappe 4- und des Lagerzapfens 1 ist jeweils ein dünner Barrierenfilm 24 aus einem geeigneten Material vorgesehen, welches eine niedrige Oberflächenenergie aufweist. Damit wird eine Verteilung des Öls aufgrund von Oberflächeneffekten verhindert.

Die in bestimmten Bereichen an der Oberfläche des Lagerzapfens 1 vorgesehenen Spiralnuten und die Nuten, mit welchen die Ringscheibe 2 teilweise an der Oberfläche versehen ist, erhöhen die Stabilität des Lagers. Obwohl auch ein Lagerzapfen 1 mit glatter Umfangsfläche eine ausgezeichnete Tragfähigkeit vermittelt, neigt das damit-versehene Lager jedoch zur !Instabilität. Der Grund dafür ist diejenige Eigenschaft eines hydrodynamischen Flüssigkeitslagers, wonach sich bei Belastung ein Wjjikel zwischen der Last und der Auslenkung ausbildet. Bei einem Lager der in JFig. 1 wiedergegebenen Art ohne Nuten ergibt sich bei geringer Belastung ein solcher Winkel von 90°. Steigt die Belastung jedoch, dann wird der Winkel kleiner. Dies hat zur Polge, daß der Lagerzapfen 1 bei einer leichten Auslenkung nicht in die Null-Stellung zurückgeführt wird, sondern vielmehr seine Achse um die Lagerachse rotiert, was zu Schäden und zum Lagerausfall führen kann.

Die Spiralnuten zur Erhöhung der Lagerstabilität können auf einfache Weise dadurch erzeugt werden, daß man sie in die Oberfläche des Lagerzapfens 1 einätzt. Mit diesen

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Nuten wirkt der umlaufende Lagerzapfen i als viskoser Kompressor, dessen Kompressionsvermögen der linearen G-leitgescliwindigkeit der Flüssigkeit im Kaum zwischen dem Lagerzapfen 1 und der zugehörigen Gehäusebohrung proportional ist. Durch Verminderung der durch den viskosen Kompressor verursachten Strömung wird ein erhöhter Druck aufrecht erhalten, was der Tragfähigkeit zugute kommt. Diese Strömungsverminderung erfolgt durch Kapillardichtungen im Lagerzapfenbereich ohne Nuten. Die teilweise Anordnung von Nuten unter Zwischenschaltung eines Oberflächenbereichs ohne Nuten, wie aus Fig. i ersichtlich, ist optimal für den Lagerzapfen 1. Mit einem solchen Lagerzapfen 1 versehene Lager weisen einen Winkel von 50° zwischen Last und Auslenkung auf. Selbst bei geringer Belastung ist eine große, wirksam rückführende Kraft gegeben, so daß ein Wirbeln vermieden ist.

Wenn die Ringscheibe 2 ebenfalls teilweise mit Oberflächennuten versehen ist, dann funktioniert sie nach den selben Grundsätzen.

Die Lagerflüssigkeit soll eine niedrige Yiskosität und einen hohen Siedepunkt aufweisen. Die niedrige Viskosität vermindert innere Reibung und der hohe Siedepunkt, bei 1-Octen in der Größenordnung von 120°C,schließt große Druckunterschiede bei Temperaturschwankungen aus. Die Lagerflüssigkeit wird durch die. geschilderten Abdichtungen zwischen Lagerzapfen 1 und Gehäuse 3 bzw. dessen Stirnkappe 4- im Lager gehalten.

Bei den Abdichtungen ist die hohe Oberflächenspannung und das niedrige Benetzungsvermögen flüssigen Metalls, wie Quecksilber, ausgenutzt. Die Wirkungsweise der Abdichtungen wird am besten aus Fig. 3 und. 4- verständlich.

In Fig. 3 ist dargestellt, wie eine Flüssigkeit hoher

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Oberflächenspannung, beispielsweise Quecksilber, sich vor einer kleinen öffnung verhält. Da der Flüssigkeitsdruck Größer als der Gasdruck ist, ergibt sich die dargestellte Auswölbung. Für den Gleichgewichtszustand bei einer schiitsartigen Öffnung der Länge 1 gilt die folgende Gleichung:

Δ PE cos cC = ff cos OC (1)

dabei bedeuten ΔΡ die Druckdifferenz P^ -?2 an der Grenzfläche zwischen Flüssigkeit und Gas, K die Oberflächenspannung der Flüssigkeit, öC den Berührungswinkel und E den Krümmungsradius.· Mit E cos OC = x/2 ergibt sich:

ΔΡ a 2 K cos PC ...... (2)

Unter Berücksichtigung dessen, daß es sich bei der Oberflächenspannung K und χ um Konstanten handelt, ergibt sich aus Fig. 3 und der vorstehenden Gleichung, daß mit steigender Druckdifferenz Δ P der Wert für cos oC wachsen und denzufolge der Winkel Oi kleiner werden muB. Dieser Effekt ist durch die gestrichelte Linie in Fig. 3 veranschaulicht. Der Winkel C^ wix^d kleiner, bis der kleinste Eontaktv/inkel erreicht ist. Der kleinste Fontaktwinkel liegt für die meisten Materialien, mit deren Quecksilber bei Berührung nicht reagiert, bei etwa 40°. Wird ein Winkel OC kleiner als 40° gewünscht, dann ist ein Gleichgewichtszustand nicht zu erreichen, und das Quecksilber fließt durch die schlitzförmige Öffnung.

In Fig* 4 ist veranschaulicht, wie sich das Quecksilber beim Eintreten in. einen Schlitz mit sich vermindernder Breite verhält. Ja das Quecksilber in den Schlitz eindringt, wird der kleinste Eoritaktwinkel erreicht und aufrechterhalten. Unter Berücksichtigung dessen, daß die Oberflächenspannung K und der Kontaktwinkel O( somit Konstanten sind, ergibt sich aus

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Fig. 4 und der obigen Gleichung, daß bei steigender Druckdifferenz &P der Wert für χ fallen muß. Die Grenzfläche zwischen Gas und Flüssigkeit bewegt sich also in den Schlitz bis zu einer Stelle, wo der Gleichgewichtszustand herrscht und die entsprechenden Bedingungen erfüllt sind.

Die in Fig. 2 wiedergegebene Abdichtung beruht auf dem vorstehend erläuterten, in Fig. 4 dargestellten Phänomen. Dabei ist die Ausgestaltung so getroffen, daß sich das Quecksilber ausdehnen kann, ohne daß der Gleichgewichtszustand aufgehoben wurde. Der Qnecksilberring kann also von einem Gleichgewichtszustand in einen anderen übergehen. Jede der beiden Abdichtungen verbraucht kaum Leistung durch innere Reibung.

Der bei jeder Abdichtung vorgesehene Film 22 verhindert, daß das Quecksilber bei niedrigen Drücken verdampft. Die beiden jedem Film 22 zugeordneten Barrierenfilme 24 verhindern, daß das Niederdrucköl des Films 22 aus dem Ringspalt zwischen Lagerzapfen 1 und Gehäuse 3 bzw. dessen Stirnkappe 4 austritt.

Bekanntlich verteilen sich Flüssigkeiten oder benetzen Flüssigkeiten jede Oberfläche, deren Oberflächenenergie höher als diejenige der Flüssigkeit ist. Wegen der sehr hohen Oberflächenenergie von Metallen ist es daher normalerweise zu erwarten, daß Flüssigkeiten über jede wirklich saubere Metalloberfläche kriechen oder sich verteilen. Durch Veränderung der Metalloberfläche mit Hilfe eines stabilen, dauerhaften Films von niedriger Oberflächenenergie kann man die Wanderung von Flüssigkeiten über die Oberfläche verzögern.

Die Barrierenfilme 24 können jeweils aus einem Fluorkohlenstoffpolymerisat, bekannt unter dem Handelsnamen "Nyebar" bestehen. Das Polymerisat weist eine Oberflächenenergie auf,

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welche bei Raumtemperatur deutlich geringer als die Oberflächenspannung aller bekannten Schmiermittel ist. Die Polymerisate werden als Lösung in einem schnell verdampfenden, fluorierten oder chlorierten Trägerlösungsmittel geliefert. Die nach Verdampfung des Lösungsmittels zurückbleibenden Filme 24 verzögern die Verteilung oder das Kriechen des GIs über die Jeweilige Filmoberfläche, und zwar bei Raumtemperatur.

Die Oberflächenspannung des Öls jedes Films 22 vermindert sich mit steigender Temperatur. Bei einer bestimmten Temperatur ist die Oberflächenspannung des Öls gleich der oder kleiner als die Oberflächenspannung der Filme 24. Diese Grenztemperatur ist für den maximalen, wirksamen Nutzen der Filme 24 für den Jeweils zugehörigen Film 22 maßgebend. Beispielsweise erreicht die Oberflächenspannung des den Film 22 bildenden Öls normalerweise die Oberflächenspannung der Barrierenfilme 24 bei einer Temperatur von etwa 205°C, welche deutlich oberhalb derjenigen Temperaturen liegt, bei welchen heutige Kreisel arbeiten, und welche in der Größenordnung von etwa 60⁰O liegen. Bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Lagers in Kreiseln können also die Barrierenfilme 24 aus dem geschilderten Fluorkohlenstoffpolymerisat bestehen.

Um keinen Balg anordnen zu müssen, wird das Lager gemäß Fig. 1 nicht vollständig gefüllt, Da die Expansion der Flüssigkeit, der Betriebstemperaturbereich des Lagers und der zulässige Druckbereich bekannt sind, ergibt sich das Blasenvolumen aus folgender Gleichung:

^P1^V1 _ ^P2^V2

T₂

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Das Blasenvolumen macht etwa 10 "bis 50 % vom Gesamtvolumen aus. Das Blasenvolumen wird vorteilhafterweise klein gehalten, so daß eine ausreichende Flüssigkeitsmenge im Lager vorhanden ist, um eine Pumpwirkung im Hinblick-auf die Lagertragfähigkeit zu ermöglichen. Die Blasen werden in die radialen Kanäle 5 der Ringscheibe 2 gedrückt,· und zwar aufgrund der beim Umlaufen des Lagerzapfens 1 und der Ringscheibe 2 entstellenden Zentrifugalkräfte. Sie wandern njc ht in den Lajerspalt. Hit steigender Temperatur dehnt sich die Flüssigkeit aus, so daß die Blase verdrängt wird und schließlich verschwindet.

In Fig. 5 ist ein erfindungsgemäßes, als Patrone ausgebildetes hydrodynamisches Flüssigkeitslager dargestellt, eingebaut in einen Kreisel. Dieser weist einen Drehmomentmotor Ί00 zum Antrieb eines Rotors 102 um eine Achse 1OJ auf. Der Rotor 102 trägt die üblichen Kreiselelemente und ist durch das Lager gemäß Fig. 1 und 2 drehbar gelagert.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellte und beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern auch bei Lagern mit konischen, halbkugeligen oder kugeligen Lagerflächen anwendbar. Desgleichen muß das zur Abdichtung dienende Haterial, im geschilderten Fall Quecksilber, nicht ringförmig angeordnet sein, sondern kann auch flächig zwischen zwei ebenen Oberflächen vorliegen. Schließlich muß zur Lagerung nicht unbedingt eine Flüssigkeit vorgesehen sein, sondern kann beispielsweise auch ein Gas Verwendung finden.

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Claims (11)

1. Ansprüche

   1J Hydrodynamisches Lager, insbesondere für Kreisel, mit einem in einem Gehäuse angeordneten Lagerzapfen, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerzapfen (1) zumindest mit einem Ende aus dem Gehäuse (3? 4) ragt, und daß zur Abdichtung gegenüber dem Strömungsmittelfilm zwischen Lagerzapfen (1) und Gehäuse (3, 4) eine nichtnetzende Flüssigkeit zwischen dem herausragenden Lagerzapfenende und dem Gehäuse (3_t 4) vorgesehen ist.
2. 2. Hydrodynamisches Lager, insbesondere für Kreisel, mit einem in einem Gehäuse angeordneten Lagerzapfen, insbesondere nach Anspruch 1, dadurc h gekennzeichnet, daß zwischen Gehäuse (3j 4) und Lagerzapfen (1) eine Ausnehmung (5, G) zur Aufnahme einer Blase des 3trömungsmittelfilms zwischen Lagerzapfen (1) und Gehäuse (3, 4) vorgesehen ist, so daß das Strömungsmittel sich entsprechend der jeweiligen Temperatur ausdehnen und kontrahieren kann.
3. 3· Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (5, 6) im Lagerzapfen (1) ausgebildet ist.
4. 4. Lager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lagerzapfen (1) an einem Ende eine Ringscheibe (2) zur Aufnahme axialer Belastungen aufweist.
5. 5. Lager nach Anspruch 3 und 4·, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingscheibe (2) am Umfang eine Ringnut (7) mit V-förmigem Querschnitt und mindestens einen damit kommunizierenden, radialen Kanal (5) aufweist, in welchen

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   sich die Blase erstreckt, wobei die Hingnut (7) in Verbindung mit den im Betrieb auf das Strömungsmittel einwirkenden Zentrifugalkräften einen Kollektor für die Blase bildet, welcher diese in den Kanal (5) zum Lagerzapfen (1) hin fördert.
6. 6. Lager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß außen neben der nicht-netzenden Flüssigkeit zur Verhinderung bzw. Verzögerung von deren Verdampfung ein Film (22) von Schmiermittel niedrigen Dampfdrucks vorgesehen ist.
7. 7. Lager nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß außen neben dem Schmiermittelfilm (22) am Gehäuse (3, 4) und am Lagerzapfen (1) jeweils ein Barrierenfilm (24) zur Verhinderung des Schmiermittelwanderns vorgesehen ist.
8. 8. Lager nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß jeder Barrierenfilm (24) aus flüssigem !Fluorkohlenstoffpolymerisat besteht.
9. 9. Lager nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen Lagerzapfen (1) und Gehäuse (3, 4) eingeschlossene Strömungsmittel eine niedrige Viskosität und einen niedrigen Dampfdruck aufweist.
10. 10. Lager nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Lagerzapfen (1) und Gehäuse (3» 4) 1-Octen eingeschlossen ist.
11. 11. Lager nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Ausbildung als Patrone mit einer am Gehäuse (3) befestigten Gehäusestirnkappe (4).

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