DE2446441A1

DE2446441A1 - Axial-luftlager

Info

Publication number: DE2446441A1
Application number: DE19742446441
Authority: DE
Inventors: Donovan Milo Janssen; David Stedman
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1973-10-01
Filing date: 1974-09-28
Publication date: 1975-04-10
Also published as: FR2252505A1; US3867725A; JPS5736646B2; JPS5062413A; GB1470462A; FR2252505B1

Description

Böblingen, den 27. September 1974 wi/se

Anmelderin: International Business Machines

Corporation, Armonk, N.Y. 10504

Amtliches Aktenzeichen: Neuanmeldung

Aktenzeichen der Anmelderin: BO 973 018

Axial-Luftlager

Bekannte hydrostatische Axiallager weisen zwei ortsfeste Lagerflächen auf, zwischen denen der bewegte Teil mittels Luftfilm gelagert wird. Um eine zuverlässige und berührungsfreie Lagerung auch für unterschiedliche Betriebsbedingungen zu gewährleisten, erfordert die Herstellung dieser Lagerausführungen eine sehr genaue Einhaltung der Fertigungstoleranzen. Außerdem ist häufig eine aufwendige überwachung des zugeführten Luftdrucks notwendig, um den Gefahren von Berührungen zwischen den Lagerflächen und dem bewegten Teil zu begegnen.

Durch die deutsche Patentschrift 1 239 735 ist bereits eine Anordnung zu Führung und Stabilisierung rotierender, vorzugsweise scheibenförmiger flexibler Aufzeichnungsträger bekannt, die eine gewisse Unabhängigkeit vom Speisedruck der Druckluftzuführung aufweist und den Abstand zwischen einem übertragungselement und der Aufzeichnungsträgeroberfläche in gewissen Grenzen konstant zu halten in der Lage ist. Hierzu ist das übertragungselement in einem stationären Stützarm reibungsarm beweglich gelagert und konzentrisch zur Achse des Übertragungselements eine ringförmige Kammer angeordnet, von der eine Anzahl Kanäle zum Spalt zwischen Aufzeichnungsträger und übertragungselement führt, und das übertragungselement ist mit einer Lagereinheit axial einstellbar verbunden, in deren ringförmige Kammer von unten mehrere senkrecht zur Oberfläche des Aufzeichnungsträger verlaufende Bohrungen münden> in denen mit ihrer Unterseite auf

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einer oberen Planfläche des Stützarmes aufliegende, durch den überdruck in der Kammer an ihrer Oberseite ständig beaufschlagte Kolben angeordnet sind. Mit dieser Einrichtung ist es möglich, mit Hilfe einer getrennten Regelung des Druckes in den Zuführungsleitungen die Stärke des Luftfilmes zwischen übertrager und Platte einzustellen, nachdem das übertragungselement vorher von Hand, beispielsweise mittels eines Gewindes, grob voreingestellt wurde. Nach Ermittlung des günstigsten Lagerdrucks bzw. Kolbendrucks kann durch eine Verbindung der Druckmedium-Zuführungsleitungen der Druck in den beiden Kammern der beweglichen, mit dem übertragungselement fest verbundenen Lagereinheit gleich gehalten werden, so daß die entgegengesetzt gerichtete Wirkung der beiden Kammern sich aufhebt und sich das übertragungselement zwischen der umlaufenden Platte einerseits und dem stationären Stützarm andererseits auf einen nahezu konstanten Abstand von der Plattenoberfläche einstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Axial-Luftlager zur Führung eines beweglichen, insbesondere umlaufenden Teiles unter Verwendung druckgespeister hydrostatischer Lager zu schaffen, das gegenüber den bekannten Ausführungen wesentlich einfacher aufgebaut ist, für die Einzelteile des Lagers große Fertigungstoleranzen erlaubt sowie gegen Schwankungen des zugeführten Luftdrucks verhältnismäßig unempfindlich ist, und das einen Spalt konstanter Dicke zwischen dem zu führenden Teil und der Lagerfläche gewährleistet, z.B. zwischen einem umlaufenden Aufzeichnungsträger und einem stationären übertrager oder zwischen den übertragerspulen eines umlaufenden Magnetkopfträgers und einer stationären Übertrageranordnung.

Die gestellte Aufgabe ist durch die im Patentanspruch 1 angegebene Anordnung gelöst worden. Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist, daß die Fertigungstoleranzen verhältnismäßig groß gehalten werden können und veränderliche Abmessungen der Bauteile, etwa infolge von Temperaturschwankungen, durch die Beweglichkeit des Kolbens vollständig ausgeglichen

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werden. Daher ist die Erfindung bevorzugt anwendbar für magnetische Datenspeicher- und Meßgeräte mit einem umlaufenden und einem ortsfesten Teil, die zur Erzeugung oder Abtastung induzierter Signale auf bzw. von einem magnetischen Aufzeichnungsträger mittels Magnetköpfen bzw. sonstiger übertrager dienen. Ein Beispiel hierfür ist ein magnetischer Tachometer, bei dem der umlaufende Lagerteil ein magnetisches Muster trägt, während sich in der stationären Lagerfläche die Magnetkopfanordnung befindet, mittels derer das magnetische Muster abgetastet und in Form zeitabhängiger Digitalsignale ausgewertet wird. In ähnlicher Weise können am stationären und am umlaufenden Teil zusammenwirkende übertragerspulen angeordnet sein,.zwischen denen zur Übermittlung der Abtast- oder Aufzeichnungssignale vom am Umfang des Rotors befestigten Magnetköpfen ein sehr geringer und konstanter Spalt aufrechterhalten werden muß.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 in schematischer Schnittdarstellung ein Axial-

Luftlager zur Führung einer umlaufenden Scheibe,

Fig. 2 ein mathematisches Modell des Axial-Lagers

nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Diagramm zur Darstellung der Steifheit

eines hydrostatischen Luftlagers,

Fig. 4 ein Axial-Lager für eine magnetische Tachometeranordnung,

Fig. 5 eine Rotoranordnung mit umlaufenden Magnetköpfen

für ein Magnetaufzeichnungsgerät und

Fig. 6 eine stirnseitige Ansicht des Kolbens der An-BO 973 018

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Ordnung nach Fig. 5.

Gemäß Fig. 1 wird ein Teil 10 in einem bestimmten Abstand 11 von einer Lagerfläche 13 gehalten, die sich an der Unterseite eines Körpers 12 befindet und als hydrostatisches Luftlager ausgebildet ist. Der Körper 12 ist stationär befestigt, und die Lagerfläche 13 enthält eine Anzahl als Luftlager wirksamer öffnungen, von denen in Fig. 1 eine dargestellt und mit 14 gekennzeichnet ist. Anstelle der öffnung 14 können auch dünne Bohrungen oder eine poröse Platte vorgesehen werden. Der die öffnung 14 bildenden Ausdrehung 15 wird unter Druck stehende Luft von einer nicht gezeigten Druckquelle durch einen Kanal 16 und eine Düse 17 zugeführt.

Die Funktion des dargestellten Lagers ist darauf gerichtet, daß der Abstand 11 zwischen dem Teil 10 und der Lagerfläche 13 konstant aufrechterhalten wird. Hierbei ist die Masse des Teiles 10 nur dann zu berücksichtigen, wenn infolge der Anordnung des Gerätes die Erdanziehungskraft auf die Masse eine nennenswerte Wirkung ausübt. Bei der Bemessung des dargestellten Lagers sind außerdem die Durchmesser der Düse 17 und der Ausdrehung 15 sowie deren Tiefe als auch der Druck der zugeführten Luft von Bedeutung. Das dargestellte hydrostatische Luftlager wirkt ständig mit einer Kraft 18 auf die zugekehrte Oberfläche des Teiles 10, wenn dieser sich im Abstand 11 von der Lagerfläche 13 befindet. Ein Beispiel für die Charakteristik der sogenannten Steifheit eines solchen Lagers ist in Fig. 3 diagrammmatisch dargestellt, wonach eine geringe Veränderung der Lagerfilmdicke, d. h. des Abstandes 11, eine verhältnismäßig große Änderung der Lagerkraft zur Folge hat.

Die entgegengesetzte Oberfläche 19 des Teiles 10 wirkt mit einer zweiten Lagerfläche 20 zusammen, die gleichfalls als hydrostatisches Luftlager ausgebildet ist. Die hier vorgesehene Ausdrehung 21, der die unter Druck stehende Luft durch einen Kanal 28 und eine Düee 29 zugeführt wird, befindet sich jedoch in einem Kolben

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22, der in einem Gehäuse 23 axial beweglich geführt ist. Der Kolben 22 und das Gehäuse 23 bilden eine Kammer 24, der über eine Leitung 25 von einer (nicht gezeigten) Druckquelle Druckluft zugeführt wird. Die in der Kammer 24 befindliche Luft übt auf die Fläche an der Rückseite des Kolbens 22 eine Kraft 26 aus, die in der Zeichnung mit F=P(A) gekennzeichnet ist. Wie bereits erwähnt, gelangt aus der Kammer 24 die Druckluft außerdem zur Lagerfläche 20 an der Vorderseite des Kolbens 22.

Wenn das dargestellte System sich im Gleichgewicht befindet, ist die auf den Kolben 22 wirksame Kraft 26 gleich den Kräften 18 und 30, welche den Trägerfilm für den Teil 10 bilden.

Die Druckquellen zur Lieferung der Druckluft in die Kanäle 16 und 25 sind vorzugsweise regelbar ausgebildet, und es ist empfehlenswert, auch in den Kanälen 16 und 25 Regelelemente (nicht dargestellt) einzubauen, die eine Feinverstellung des Zuführdruckes ermöglichen.

Die auf die Fläche 27 des Kolbens 22 wirksame Kraft ist gleich dem konstanten Druck innerhalb der Kammer 24 multipliziert mit der Fläche 27. Die Kraft 26 ist daher konstant und ändert sich auch nicht, wenn der Kolben 22 seine Lage verändert. Die Wahl des Druckes in der Kammer 24 als Speisedruck erfolgt in bekannter Weise so, daß die Kraft 30 auf den Teil 10 im Betrag der Kraft 18 gleich ist, die von der entgegengesetzten Seite auf den Teil 10 wirksam ist.

Wie aus Fig. 3 deutlich wird, sind die Kräfte 18 und 30 des Lagers gemäß Fig. 1 unmittelbar abhängig von den Abständen zwischen den Lagerflächen 13 und 20 in Bezug auf den. Teil,10. Da die beiden genannten Lager relativ steif sind, verursacht eine verhältnismäßig geringe Vergrößerung der Lagerfilmdicke eine relativ starke Veränderung, nämlich Verringerung der Lagerkraft. Das System nach Fig. 1 ermöglicht daher bei konstanter

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Kraft 26 eine Veränderung der Kräfte 18 und 30.

Angenommen, der Teil 10 wird durch äußere, momentan wirksame Kräfte gegen die Lagerfläche 13 verstellt, so wird die Kraft 18 vorübergehend größer als die Kraft 30. Gleichzeitig wird die Kraft 30 vorübergehend geringer als die konstante Kraft Diese Störung des Gleichgewichts zwischen den Kräften 26 und 30 hat zur Folge, daß der Kolben 22 in Richtung zur Lagerfläche 13 verstellt wird, bis die Kräfte 18 und 30 wieder einander gleich sind. Wenn die momentane äußere Kraft nicht mehr auf den Teil 10 wirksam ist, bewirkt die Kraft 18, daß der Teil 10 von der Lagerfläche 13 hinweg in seine ursprüngliche Lage im Abstand 11 von der Lagerfläche 13 zurückkehrt. Diese Rückkehrbewegung verursacht ein Ansteigen der Kraft 30, die nun größer ist als die Kraft 26. Infolgedessen wird der Kolben 22 wieder zurückgestellt, nämlich von der Lagerfläche 13 hinweg, bis die Kraft 30 wieder mit der Kraft 26 übereinstimmt. Das System hat nun wieder seine Gleichgewichtslage erreicht.

Wenn beispielsweise unter Wärmeeinwirkung die Dicke des Teils und somit der Abstand zwischen den Oberflächen 19 und 90 des Teils 10 sich vergrößert, bewegt sich der Kolben 22 um einen entsprechenden Betrag in die Kammer 24 hinein, so daß der Abstand 11 aufrechterhalten bleibt.

In dem in Fig. 2 dargestellten mathematischen Modell kann der Abstand 11 in einem Größenbereich von 2,5 μ bis 50 μ angenommen werden und wird durch eine Feder 31 und einen Dämpfungskolben aufrechterhalten. Die Feder 31 ist zwischen der Lagerfläche und dem Teil 10 wirksam und repräsentiert den Federeffekt der Luftlagerschicht zwischen Teil 10 und der Lagerfläche 13. In entsprechender Weise ist in dem Modell nach Fig. 2 zwischen dem Teil 10 und der Stirnseite des Kolbens 22 eine Feder 33 in Verbindung mit einem Dämpfungskolben 34 dargestellt, welche gleichfalls den Feder- und Dämpfungseffekt der Luftlagerschicht zwischen den beteiligten Flächen repräsentieren. Der Kolben 22,

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in Fig. 2 als Block dargestellt, ist als vertikal beweglich angenommen und steht unter der Kraft 26 sowie der aus der Kraft der Feder 33 resultierenden Gegenkraft.

Die dargestellte Anordnung ist von besonderem Vorteil bei Anwendung für zusammenwirkende Flächen 13 und 90 (Fig. 1), die durch einen bestimmten Abstand 11 voneinander getrennt bleiben sollen, beispielsweise bei übertragungseinrichtungen, bei denen für eine zuverlässige übertragung ein bestimmter Abstand vorgeschrieben ist. Derartige Übertragungseinrichtungen sind in den nachfolgend erläuterten Fign. 4 und 5 gezeigt.

Der digitale magnetische Tachometer gemäß Fig. 4 besteht aus einer umlaufenden Welle 40, die eine Scheibe 41 aus nachgiebi-' gern Werkstoff trägt. Auf der Scheibe 41 befinden sich magnetische Ringspuren, von denen in Fig. 4 eine mit 42 gekennzeichnet ist, und zur Aufzeichnung bzw. Abtastung von Daten auf dieser Ringspur läuft die Scheibe 41 in einem engen Spalt zwischen der Lagerfläche 13 und dem Kolben 22 um, wobei in bezug auf die Anordnung nach Fig. 1 Teile gleicher Funktion mit gleicher Bezugsziffer gekennzeichnet sind. In der stationären Lagerfläche ist ein Magnetkopf 43 zum Lesen der Aufzeichnungen auf der Spur 42 der rotierenden Scheibe 41 angeordnet. Es ist bekannt, daß die magnetische Abtastung eine hohe Empfindlichkeit bezüglich des Abstandes zwischen Aufzeichnungsträger_v und Magnetkopf aufweist. Dies gilt im gleichen Maße für den vorliegenden Fall eines Tachometers, bei dem der Magnetkopf 43 die Drehgeschwindigkeit der Scheibe 41 darstellende Signale abtastet, und zwar beispielsweise in einer Folge von 500 bis 1000 Impulsen pro Umdrehung der Scheibe 41 mit der Welle 40.

Bei dem Beispiel nach Fig. 5 läuft der Magnetkopf 71 um und ist zur Aufzeichnung bzw. Abtastung von Daten sowohl radial als auch beiderseits in axialer Richtung durch entsprechende Luftlager geführt. Eine Beschreibung dieser Anordnung in ihren Einzelheiten enthält die Patentanmeldung P 24 11 402.1. Die

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Anordnung besteht aus zwei Führungshälften 50 und 51, zwischen denen sich als Verbindungsteil ein Ring 52 befindet. Die Führungshälfte 50 trägt stirnseitig eine Lagerfläche 53, und weiterhin befindet sich in ihr eine Ringkammer 55 mit einer Vielzahl hydrostatischer Luft-Lagerdüsen 56, wobei die Ringkammer und die Lagerdüsen 56 über eine Leitung 57 von einer Druckluftquelle gespeist werden. Die Lagerdüsen sind um die Achse 58 der Führungshälfte 50 ringförmig verteilt angeordnet. In der Lagerfläche 53 der Führungshälfte 50 ist weiterhin ein Übertrager 60 mit zwei Wicklungen 61 und 62 eingelassen.

In der anderen Führungshälfte 51 sind eine Scheibe 63 und ein axial beweglicher, ringförmiger Kolben 64 gelagert, wobei zwischen dem Kolben 64 und der Führungshälfte 51 eine Ringkammer gebildet ist, in welcher durch Zufuhr von Druckluft über eine Leitung 68 ein konstanter Druck aufrecht erhalten wird, der in axialer Richtung als Kraft F auf den ringförmigen Kolben 64 wirksam ist. Die Leitung 68 ist als flexible Zuführung gestaltet, um eine freie Beweglichkeit des Kolbens 64 sicherzustellen.

In der in Fig. 6 dargestellten Ringfläche 91 des Kolbens 64, auf welche der in der Ringkammer 67 aufrecht erhaltene Druck wirksam ist, befinden sich eine Vielzahl, beispielsweise sechzehn einzelne, als hydrostatische Luftlager wirksame Düsen 66. Die Ausbildung dieser Düsen entspricht derjenigen der Lagerdüsen 56 in der Lagerfläche 53 der Führungshälfte 50.

Zwischen den Führungshälften 50 und 51 befinden sich der Rotor 70, welcher die Magnetköpfe 71 trägt, sowie der Motorläufer 72. Ein stationärer Trägerring 73 stützt den Motorstator 74 und enthält eine Mehrzahl radial gerichteter hydrostatischer Luftlager 75, welche mit der ringförmigen Innenfläche eines Ringteiles 76 de« Rotors 70 zusammenwirken. Weiterhin befinden sich am Rotor 70 ein benachbart zum Übertrager 60 eingelassener Übertrager 80 mit Wicklungen 81 und 82, die ihrerseits mit den Wicklungen 61 und 62 zusammenwirken.

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Claims

PATENTANSPRÜCHE

Axial-Luftlager zur Führung eines beweglichen, z. B. umlaufenden Teiles unter Verwendung druckgespeister hydrostatischer Lager, dadurch gekennzeichnet, daß einerseits des zu führenden Teils (10) eine als hydrostatisches Festlager ausgebildete erste Lagerfläche (13) und andererseits des zu führenden Teils ein axial bewegliches hydrostatisches Lager angeordnet ist, bestehend aus einer unter konstantem Überdruck stehenden Kammer (24), in welcher ein entsprechend ständig druckbeaufschlagter Kolben (22) geführt ist, dessen dem zu führenden Teil zugewandte Stirnseite als zweite hydrostatische Lagerfläche (20) ausgebildet ist.
2. Axial-Luftlager nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein solches Verhältnis der der ersten Lagerfläche (13) und der Kammer (24) zugeführten Drücke, daß auf den zu führenden Teil (10) im ungestörten Zustand zwischen den Lagerflächen (13, 20) entgegengesetzt gerichtete Kräfte (18, 30) gleichen Betrages wirksam sind.
3. Axial-Luftlager nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckzufuhr zur ersten Lagerfläche (13) und zur Kammer (24) gesondert regelbar ausgebildet ist.
4. Axial-Luftlager nach den Ansprüchen 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Anwendung in magnetischen Datenspeicher- oder Meßgeräten, mit einem ortsfesten und einem umlaufenden Teil (13; 53) zur Erzeugung oder . Abtastung induzierter Signale auf bzw. von einem magnetischen Auf zeichnungsträger (41; - ) mittels Magnetköpfen (43; 71) bzw. anderer Übertrager 60, 61; 80, 81).

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