DE2514723A1 - Hydrodynamisches lager - Google Patents

Description

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TEL. (089)

Anmelder: Jerome GHSENE Anwaltsakte: 4 Pat 3

16O8 Comanche Road
Arnold, Maryland 21012 / USA

Hydrodynamisches Lager

Die Erfindung betrifft ein hydrodynamisohes Lager zur reibungsarmen Lagerung eines relativ beweglichen Teils mit Hilfe eines Strömungsmittels, welches als Schmiermittel dienen kann.

Bei den herkömmlichen, geometrisch starren Lagern mit einem Flüssigkeitskeil an der Gleitfläche bewirkt die Belastung der Oberfläche eine Verringerung der Dicke des Flüssigkeitskeiles. Daduroh wird die Nachlieferung von Schmiermittel eingeschränkt.

Bei Lagern, bei denen das Kissen mit der Gleitfläche drehbar ist, bewirken der Lastdruck auf die Oberfläche des Kissens und die viskose Reibung die Ausbildung eines Schmiermittelkeils, welcher in Bewegungsrichtung des drehenden Teils divergiert, was zur Folge hat, daß die Vorderkante des Keils dazu neigt, abzuschließen und die Nachführung des Schmiermittels zu begrenzen. Diese Tendenz wird durch die Deformierbarkeit des Kissens unter Betriebsbedingungen reduziert. Infolgedessen erhält man Lager mit begrenzter Belastungskapazität und mit einer beschränkten Fähigkeit, einen Schmiermittelkeil aufrechtzuerhalten, um dadurch den Betriebszustand zu verhindern, der als ^1!Haft-Gleit"-Zustand bekannt ist.

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Das erfindungsgemäße Lager ist ein Kissenlager mit' einem Strömungsmittelkeil an der Gleitfläche. Me einzelnen Kissen sind bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel daduroh gekennzeichnet, daß sie einen Metallelastomer-Laminataufbau aufweisen, der gekrümmt ist und dessen KrümmungBinittelpunkt in Richtung.des entgegengesetzten Teils des Lagers angeordnet ist. Diese Anordnung des Krümmungsmittelpunktes des Kissens hat zur Folge, daß unter dem Einfluß der Reibungskräfte und des Belastungsdruckes die Kissen so varschwenlct werden, daß ein Keil erzeugt wird, welcher in Bewegungsrichtung des beweglichen Keiles konvergiert. Die Bewegung der Kissen ist gewöhnlich eehr geringfügig, der Keilwinkel ist klein und die Stirnfläche des Kissens bleibt im wesentlichen parallel zu der Oberfläche des rotierenden Lastteiles, wenn das Kissen auf einem stationären Teil befestigt ist. Durch eine solche parallele Anordnung werden eine maximale Belastungskapazität erreicht und ein "Haft - Gleit" - Betrieb verhindert. Das erfindungsgemäße Lager hat die inhärente Fähigkeit, die Rotation des Lastteiles in jeder Richtung zu ermöglichen, und es kann entweder als flaches Axiallager, als Zylinderlager oder als eine Kombination aus einem Axiallager und einem Zylinderlager konstruiert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Lager mit hoher Belastungakapazität zu schaffen, bei welohem praktisch kein "Haft-Gleit"-Betrieb eintritt. Dieses Lager soll beim Anlauf eine niedrige Reibungskomponente aufweisen, unabhängig von der Größe der Belastung vor dem Beginn der Rotation.

Weitere Vorteile und Merkmale 4er Erfindung gehen aus den Ansprüchen in Verbindung mit der Beschreibung und der Zeichnung hervor. In letzterer zeigern

Fig. 1 eine vereinfachte Darstellung eines Teils eines Axiallagers mit verschwenkbarem Kissen und die Effekte der Druck- und der Reibungskräfte auf das Lagerkissen,

Fig. 2 eine vereinfachte Darstellung eines Teils eines erfindungsgemäßen Axiallagers und die Effekt© der Druck- und der Reibungskräfte auf das Lagerkissen,

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Fig. 3 einen Teil eines Lagers, welches ein erfindungsgemäßes Axiallagerkissen verwendet,

Fig. 4 ein erfindungsgemäß aufgebautes Zylinderlager, Fig. 5 ein erfindungsgemäßes flaches Axiallager und

Fig. 6 ein Diagramm, welches die Verteilung dee Strömungsmitteldruckes auf der Stirnfläche des Kiseens veranschaulicht.

Die Fig. 1 zeigt einen Teil eines herkömmlichen Kiesenlagers, welches ein Kissen 11 umfaßt, das um einen Drehpunkt 12 gedreht werden kann, und ein bewegliches Teil 15, welches sich in Richtung des Pfeiles 14 bewegt. Durch die Bewegung des Teils 13 relativ zu dem Kissen 11 werden auf die dazwischen befindliche Flüssigkeit Soherkräfte ausgeübt, welche eine viskose Reibungskraft erzeugen, die duroh den Pfeil F angedeutet int. Der Mittelpunkt des Lastdruckes auf dieses besondere Kissen 11 ist durch den Vektor P dargestellt. Die Momente dieser beiden Kräfte um den Drehpunkt des Kissene 11 sind Pa und Fb, wobei a und b die Versetzungen des Reibungskraftvektors F bzw. des Druckkraftvektors P gegenüber dem Drehpunkt bezeichnen. Unter den dargestellten Bedingungen versuchen diese beiden Momente, das Kissen um den Drehpunkt so zu drehen, daß der Keil stromaufwärts von dem Kissen geschlossen wird, wie es durch die gestrichelten Linien angedeutet ist. Dadurch wiederum wird der Schmiermittelstrom in dem Keil abgeschnitten und der Ersatz des aus dem Keil ausfließenden Schmiermittels verhindert, wodurch die Belastungskapazität des Lagere erheblich beschränkt wird.

Die Fig. 2 zeigt das Prinzip des Betriebs eines erfindungsgemäßen Lagers. Bei dieser Darstellung sind entsprechende Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Diese Ausführungsform weist das zusätzliche Merkmal auf, daß das Kissen aus zwei Teilen besteht, nämlich einem Basisteil 11b und einem Oberteil 11a, deren Grenzflächen 16 bzw. 15 sich längs einer gekrümmten Schnittfläche treffen. Der Krümmungsmittelpunkt 17 dieser Schnittstelle befindet sich auf einer Geraden, weiche sich von dem Teil 13 in Richtung von dem Oberteil 11a fort erstreckt. Der

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Krümmungsmittelpunkt befindet sich auf einer Geraden, die senkrecht zu der Ruheposition des Kissens 11 durch dessen Mittelpunkt verläuft. Die gekrümmte Grenzfläche kann, abhängig von der Verwendungsforra des Lagers, zylindrisch oder sphärisch ausgebildet sein. Wie die Fig. 2 zeigt, sind die Momente des Belastungsdruckes und der Reibungskräfte einander entgegengerichtet. Der Abstand längs der Geraden ist eine Punktion der ge'vränschten Krümmung, welche so ausgewählt wird, daß eine Kissenposition gebildet wird, in welcher ein Gleichgewicht zwisohen dem von der Belastungskraft hervorgerufenen Moment und dem von der viskosen Reibungskraft des Schmiermittels hervorgerufenen Moment besteht. Bei dieser Diskussion wird, angenommen, daß keine Reibungskräfte an der Grenzfläche zwischen den Kissenteilen 11a und 11b erzeugt werden. Unter dieser Bedingung schwingt die Grenzfläche des Oberteils 11a in die durch gestriohelte Linien angezeigte Position und bildet so einen Keil, dessen Ende zur Aufnahme von Schmiermittel geöffnet ist, welches durch die Bewegung des Teils 15 herbeigepumpt wird. Die Sohwingbewegung des Kissens 11a umfaßt, wie man aus der Zeichnung nieht, eine Bewegungskomponente parallel zur Bewegung des Teils 13 und in dessen Bewegungsrichtung, und eine Rotationskomponente um eine Achse, welche senkrecht auf der Zeichenebene der Fig. 2 und 3 steht; diese Achse wird der Einfachheit halber als eine seitlich sich erstreckende Achse bezeichnet, welche quer zur Bewegungsrichtung des Teils 13 relativ zu dem Oberteil 11a angeordnet ist. Die Größe der viskosen Reibungskraft ist umgekehrt proportional zu der Größe des Abstandes zwischen dem Oberteil 11a des Kissens und dem Teil 15· Die Größe des Spaltes ist darüberhinaus umgekehrt proportional zur Größe der Belastungsksaft. Je grosser also die BelaBtungskraft ist, welche den Spalt su sohließen versucht, umso größer werden auch die erzeugten Reibungskräfte sein, ifelche die Belastungskraft ausgleichen«, Bas Kissen stellt sich .deshalb selbsttätig so ein, daß ein Keil erzeugt wird, in welchen stete Schmiermittel nachgeliefert wird, unabhängig von der Größe der Belastungskraft. Der Ersatz von Schmiermittel ist dssheIb stets gewährleistet, auch wenn die Belastung extrem hoch isst* Durch die Atafseehterlialfcung eines solchen konvergierenden Sohmierkeils unter allen BelestHngsbediagungan wird verhindert, daß ein "Haften»61eiten^ft--Zustaad eintreten kann.

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Selbst beim Anlauf wirken die Reibungskräfte gegen die von der Last auf das Lagerkissen ausgeübte Kraft, unabhängig von der Bewegungsrichtung des Teils 13» entweder im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn.

In Fig. 3 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei welchem die Grenzfläche 11a des Kissens 11 an einem Abschnitt aus Metall-Elastomerlaminat 18 befestigt ist, welchee seinerseits an dem Basisteil 11b des Kissens 11 befestigt ist. Beide Kissenteile, die zum Aufbau eines Lagers erforderlich sind, sind Ähnlich konstruiert und arbeiten ähnlich. In diesem Fall dient das Metall-Elastomerlaminat zur Ermögliohung einer im wesentlichen reibungslosen Bewegung in Richtung der Bewegung des Teils 13» parallel zu der gekrümmten Grenzfläohe. Wegen seiner inhärenten Steifigkeit wird das Metall-Elastomerlaminat dabei nicht in Richtung des Lastdruckes oder radial bezüglich der gekrümmten Grenzfläche durchgebogen. Es wird darauf hingewiesen, daß die Lagerkissen bei dieser Konstruktion sich bei jeder Bewegungsrichtung des Teils 13 selbst einstellen können. Der gekrümmte Laminataufbau des Kissens dient außerdem zum Ausgleich der Last zwischen benachbarten Kissen, wenn die Last sich unter verschiedenen Bedingungen, z.B. Geschwindigkeit oder Schub, verschiebt.

Die Fig. 4 zeigt die Anwendung der Erfindung auf ein Zylinderlager, bei welchem jedes Kissen 11 ähnlich wie das Kissen der Fig. 5 ausgebildet ist. Das Element 19 ist die Welle, und das Element 21 ist das Lagergehäuse.

Die Fig. 5 zeigt die Anwendung der Erfindung auf ein Axiallager, in welchem die Kissen 11 so wie die Kissen der Fig. 3 aufgebaut sind.

Die Fig. 6 zeigt in verallgemeinerter Weise die Verteilung des Flüssigkeitsdruckes zwischen der Stirnfläche des Oberteils 11a und dem Teil 13.

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Es versteht sich, daß für die Außenseite des Kissena 11 ein Material gewählt wird, welches mit dem verwendeten Schmiermittel
kompatibel ist; bei der Wahl dieses Materials werden auch die anderen bekannten Faktoren berücksichtigt. Ferner wird noch darauf hingewiesen, daß der Ausdruck Metall-Elastomer jedes elastisch-unelastisches Laminat umfaßt, welches ähnliche Eigenschaften wie ein Metall -Elastomer laminat hat.

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Claims (9)

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   Ansprüche

   M.,Hydrodynamisches Lager zur reibungsarmen Lagerung eines relativ beweglichen Teils mit Hilfe eines Strömungsmittels, welches als Schmiermittel dienen kann, gekennzeichnet durch ein Lagerkissen (11), welches im Bereich des beweglichen Teile (13) ein verschwenkbares Stirnflächenteil (11a) aufweist, und durch eine Trageinrichtung (11b), welche die Schwenkbewegung des Stirnflächenteils (11a) um ein Rotationszentrum ermöglicht, welches von dem Stirnflächenteil (I1a) fort in Richtung des beweglichen Teils angeordnet ist, wobei die Schwenkbewegung eine Komponente parallel zu und in Bewegungsrichtung des relativ beweglichen Teils (13) und eine Rotationskomponente um eine quer zu der genannten Bewegungsrichtung angeordnete Achse enthält.
2. 2. Hydrodynamisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trageinrichtung, welche das Stirnfläohenteil schwenkbar stützt, ein relativ stationäres Basisteil (11b) umfaßt, daß das Stirnflächenteil (11a) und das Basisteil (11b) eine gekrümmte Schnittstelle aufweinen, daß der Krümmungsradius der Schnittstelle in Richtung zu dem beweglichen Teil (13) von dem Stirnfläohenabschnitt (11b) entfernt angeordnet ist und daß die Schnittstelle als ..;.1s«iv .?. ^" -"*.*} Verbindung in Richtung parallel zu der gekrümmten Schnittstelle %■...■ sehen dem Stirnflächenabschnitt (11a) und dem Basisteil (11b) ausgebildet ist.
3. 3. Hydrodynamisches Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trageinrichtung, welche das Stirnflächenteil (11a) schwenkbar stützt, ein relativ stationäres Basisteil (lib) umfaßt, daß das Stirnflächenteil (Ha) und das Basisteil (lib) längs einer gekrümmten Schnittstelle durch ein elastomeree Material miteinander verbunden sind, welches in radialer Richtung der Schnittstelle relativ starr und in Richtung parallel zu der gekrümmten Schnittstelle relativ nachgiebig ist, und daß der Krümmungsmittelpunkt in Richtung des beweglichen Teils (13) von dem Stirnflächenteil (Ha) entfernt angeordnet ist.

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4. 4· Hydrodynamisches Lager nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das elastomere Material ein zusammengesetztes, elastomeres-unelastischeB Laminat (18) ist.
5. 5· Hydrodynamisches Lager zur reibungsarmen Lagerung eines relativ beweglichen Teils mit Hilfe eines Strömungsmittels, welches als Schmiermittel dienen kann, gekennzeichnet durch eine Anzahl von Lagerkissen (11) zwischen dem beweglichen, einen Lastdruck ausübenden Teil (19) und einem relativ stationären Tragaufbau, von denen jedes Lagerkissen ein verschwenkbares Stirnflächenteil (11a) im Bereich des beweglichen Teils (19) umfaßt, und durch eine Trageinrichtung, welche die Schwenkbewegung dee Stiraflftchenteila (11a) um ein Rotationszentrum ermöglicht, welches von dem Stirnflächenteil fort in Richtung des beweglichen Teils (19) angeordnet ist, wobei die Schwenkbewegung eine Komponente parallel zu und in Bewegungsrichtung des relativ beweglichen Teils (I9) und eine Rotationskomponente um eine quer zu der genannten Bewegungsrichtung angeordnete Achse enthält und wobei das Stirnflächenteil (Ha) eines jeden Kissens, unter den kombinierten Einflüssen der auf sie wirkenden Reibungs- und Belastungskräfte, in eine dynamische stabile, geneigte Position verschwenkbar ist, damit ein keilförmiger, mit hydrodynamischem Schmiermittel gefüllter, in Bewagungsrichtung konvergierender Spalt zwisohen dem beweglichen Teil (19) und dem Stirnflächenteil (11a) gebildet wird.
6. 6. Hydrodynamisches Lager nach Anspruoh 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Trageinrichtung (11b) eines jeden Stirnfläohenteils (11a) jedes Kissens (11) ein relativ stationäres Basisteil (11b) umfaßt, daß jedes Stirnfläohenteil (11a) mit dem Basisteil (11b) eine gekrümmte Schnittstelle aufweist, daß der Krümmungsradius der Schnittstelle in Richtung zu dem beweglichen Teil von dem Stirnflächenteil (I1a) entfernt angeordnet ist und daß die Schnittstelle als relativ reibungsarme Verbindung in Sichtung parallel zu der gekrümmten Schnittstelle zwischen dem Stirnfläohenteil (11a) und dem Basisteil (11b) ausgebildet iet.

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7. 7. Hydrodynamisches Lageir nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Trageinrichtungen (11b), welche die Stützflächenteile (11a) jedes der Kissen (11) Btützen, jeweils ein relativ stationäres Basisteil (lib) umfassen, daß jedes Stirnflächenteil (11a) und jedes Basisteil (lib) längs einer gekrümmten Schnittstelle durch ein elastomeres Material miteinander verbunden sind, welches in radialer Richtung der Schnittstelle relativ starr und in Richtung parallel zu der gekrümmten Schnittstelle relativ nachgiebig ist, und daß der Krümmungsmittelpunkt in Richtung auf das bewegliche Teil (19) von dem Stirnflächenteil (I1a) entfernt angeordnet ist.
8. 8. aerodynamisches Lager nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das elastomere Material ein zusammengesetztes elastomeres-unelastisches Laminat ist.
9. 9. Hydrodynamisches Lager nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß das elastomere Material in radialer Richtung zu der gekrümmten Schnittstelle geringfügig nachgiebig ist, damit ein Lastausgleich zwischen den Lagerkisaen stattfindet.

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