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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung für die Erzeugung
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eines Luftkissens für Gleit- oder Drehkörper mit einer mit Druckluft
versorgten Kammer, deren Wandungen dort, wo das Luftkissen erzeugt werden soll,
oeffnungen für den Durchtritt der Luft aufweist.
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Luftschmierungen bzw. Luftlagerungen zur Herabsetzung von Reibung
sind bekannt.Beispielsweise werden in der Technik hochtourige Präzisionsgeräte,
wie z.B. ein Kreisel-Kompaß, in luftgeschmierten Lagern gelagert. Im Bereich der
Unterrichtsgeräte sind Luftkissenfahrbahnen und Luftkissentische bekanntgeworden.
Luftkissenfahrbahnen können zur Erarbeitung der Gesetze der linearen Mechanik(gleichförmige
Bewegung, beschleunigte Bewegung, Impulserhaltung) dienen. Sie bestehen aus einer
aus planen Flächen zusammengebauten Unterlage (z.B. Dachkantprisma) und einem oder
mehreren dieser Unterlage angepaßten Gleitern. Luftkissentische weisen eine plane
horizontale Fläche auf, auf der sich im allgemeinen rotationssymmetrische, aber
auch hantelförmige Gleitkörper in zwei Dimensionen horizontal bewegen. Sie dienen
z.B. der Erarbeitung der Gesetze der linearen Bewegung einschließlich dem zweidimensionalen
Stoß.Schließlich ist auch eine große in einer Kugelschale luftgelagerte Kugellagerkugel
zur messenden Beobachtung von Kreiseleffekten bekanntgeworden.
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Allen diesen Vorrichtungen ist gemeinsam, daß sich in der lagernden
Fläche eine Anzahl feiner Bohrungen befindet, aus denen die Schmierluft austritt,
sich dann unterhalb des gelagerten Körpers zu dessen Rand hin ausbreitet und dort
entweicht.
Der Luftdruck in der lagernden Luftschicht muß dabei
größer sein als der der Umgebung, damit die von ihm auf den gelagerten Körper ausgeübte
Druckkraft ausreicht, diesen zu tragen. Dieser Überdruck wird aufrechterhalten durch
ständiges Nachfördern der Schmierluft aus den Luftdüsen, wobei die entweichende
Luftmenge begrenzt wird durch die innere Reibung der Luft, die in der tragenden
dünnen Luttschicht nur eine Verhältnismäßig kleine Strömungsgeschwindigkeit zuläßt:
Der Querschnitt der Düsen und die Druckluftversorgung für die Kammer sind so zu
wählen, daß insbesondere im Hinblick auf die häufig große Zahl nicht vom Gleiter
belegter Düsen ein ausreichender ueberdruck in der Kammer aufrechterhalten werden
kann.
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Den vorbekannten Einrichtungen für die Erzeugung eines Luftkissens
haftet der Nachteil an, daß eine relativ kleine Zahl von die Düsen bildenden Bohrungen
mit relativ großem Querschnitt vorhanden ist. Die Bohrungen erzeugen diskrete Luftstrahlen,
die den idealen Bewegungsablauf der Gleiter behindern. Diese nachteilige Wirkung
könnte durch die Wahl von noch mehr und noch kleineren Bohrungen verringert werden.
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Einem solchen Ziel sind jedoch Grenzen hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit
gesetzt, da eine sehr große Zahl sehr feiner Öffnungen nur sehr schwierig und mit
großem Zeitaufwand hergestellt werden kann, was zu einem nicht mehr vertretbaren
Preis führt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunae, eine Einrichtung
für die Erzeugung eines Luftkissens für Gleit-oder Drehkörper mit einer mit Druckluft
versorgten Kammer! deren Wandungen dort, wo das Luftkissen erzeugt werden soll,
Öffnungen für den Durchtritt der Luft aufweist, zu schaffen, bei der die beschriebenen
nachteiligen Wirkungen nicht mehr auftreten und die dennoch zu einem angemessenen
Preis herstellbar ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die luftdurchlässigen
Wandungsteile der Kammer aus porösem Material bestehen. Bei einer Einrichtung dieser
Art ist die Anzahl der das Luftkissen erzeugenden Düsen so groß, daß in Bezug auf
die Größe des Gleitkörpers nicht mehr von diskreten Luftstrahlen gesprochen werden
kann; d.h., die bisher beobachtete Behinderung des gleichmäßigen Bewegungsablaufs
ist nicht mehr vorhanden, Weiterhin ist es nicht mehr erforderlich, die luftdurchlässige
Wandung mit einer Vielzahl von Bohrungen mit extrem kleinem Querschnitt herzustellen,
so daß insgesamt eine erhebliche Kostensenkung erzielt werden kann. im Rahmen der
Erfindung können die luftdurchlässigen Wandungsteile von nach der Sintertechnik
hergestellten Körpern, z.B, aus Glas und Keramik, gebildet werden. Auch in der Sintertechnik
analoger Weise hergestellte Kunststoffkörper (z.B. aus Kunststoffgranulat zusammengebackene
Körper) können Verwendung finden. Bekannt sind derartige poröse Materialien aus
der Filtertechnik in der chemischen Industrie, wo porige Filtersubstanzen aus Keramik
und auf Kunststoffbasis verwendet werden. Alle diese Materialien machen di ; ühsame
und zeitaufwendige Einbringung von vielen kleinen Bohrungen in Metall oder Kunststoff
überflüssig und sparen somit erheblich an Arbeitszeit.
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Für die Wahl der Porengröße gilt folgendes: Je feiner die einzelnerS)üsen
entsprechend den Poren des Materials sind, desto weniger Luft dringt bei gleichbleibendem
KammerdrucK nach außen. Diese Minderförderung kann entweder durch eine entsprechende
Porenvervielfachung oder durch Druckerhöhung ausgeglichen werden. Wird die Zahl
der Poren erhöht, dann
muß diese Zanl sehr viel schneller wachsen,
als der Querschnitt der Einzelpore abnimmt. Bei sehr feinen Poren muß folglich,
gleichen Grundstoff vorausgesetzt, die Dichte des porösen Werkstoffes und damit
letztlich auch seine mechanische Festigkeit abnehmen, so daß der Feinporigkeit nach
unten Grenzen gesetzt sind. Außerdem besteht bei extrem kleinen Poren die Gefahr
des Zusetzens durch Staubpartikel.
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Wird andererseits die Porengröße gröber, dann kann die Zahl der Poren
reduziert und die Dichte des porösen Körpers angehoben werden. Wenn die Zahl der
Poren nicht in dem Maße verringert wird, wie dies von der Porengröße her zulässig
ist, dann wird der bedarf an Schmierluft unnötig erhöht und kann damit dem Verfahren
eine wirtschaftliche Grenze setzen.
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Im allgemeinen sind Korngröße und Porengröße miteinander gekoppelt
und somit nicht unabhängig voneinander frei wählbar. Das führt dazu, daß für die
Konstruktion einer luftgeschmierten Einrichtung stets ein,bptimales Material denkbar
ist, wenn man von einem festen Gleitergewicht und von einem festen Kammerüberdruck
ausgeht. Schwankungen in der Porigkeit des Materials können durch Veränderung dieser
Größen z.B.
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empirisch kompensiert werden.
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Im einzelnen können dazu folgende Berechnungshiifen angestellt werden:
Eine poröse Trägerplatte mit Fläche F trage mit ihrem Luftpolster einen Gleitr der
Fläche f. Durch die Gleitermasse m ist der erforderliche Luftpolsterdruck p bestimmt.
Es muß
gelten, damit der Gleiter getragen werden kann. Durch den
Abstand
zwischen Gleiter und Trägerplatte - im allgemeinen ca. 0,1 mm -, den Druck p und
den Umfang des Gleiters ist der Luftbedarf l(Liter/Sekunde) des Gleiters bestimmt.
Man wird ihn empirisch bestimmen.
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Der Luftbedarf L der ganzen Trägerplatte ist dann sicher
weil an der vom Gleiter nicht bedeckten Trägerfläche (F-f) eine größere Druckdifferenz
liegt als an dem bedeckten Teil der Platte.
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Wenn der Druck unter der Trägerplatte P ist, dann liegt an dem vom
Gleiter bedeckten Trägerstück die Druckdifferenz P-p. Sie ist proportional der durch
die Trägerfläche f hindurc welieferten Luftmenge 1. Der Proportionalitätsfaktor
a ist eine Konstante der Trägerplatte. Es gilt 1 = a . (P-p) . f Der Luftbedarf
des nicht bedeckten Trägerplattenteils F-f ist
näherungsweise
1, f und F sind gegebene, nicht beeinflussbare Größen. Die einzige beeinflussbare
Größe ist der Nenner des zweiten Bruchstriches im Kiammerausdruck. Je größer dieser
Nenner, desto
kleiner der Luftbedarf. Der Nenner wird umso größer,
je größer P gegen p ist.
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Da F im allgemeinen groß gegen f ist und da, wie man sieht, der zweite
Bruchstrich in der Klammer 1 ausfällt, kann auch der Summand 1 in der Klammer vernachlässigt
werden. Dann wird
Es gibt also einen Mindestluftbedarf 1 Foff, vermehrt um einen Faktor, der nur vom
Verhältnis p zu P abhängt. Dieser Korrekturfaktor konvergiert mit wachsendem P gegen
1. Von einem gewissen Midestdruck P an bringt eine weitere Druckerhöhung kaum noch
Vorteile im Luftbedarf, ist aber mit erhöntem Aufwand für die Erzeugung des Drucks
P verbunden.
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Für die Luftversorgung ist ein Aufwand zu treiben, der von dem zu
liefernden Luftvolumen abhängt, und weiterer Aufwand zu treiben für die Kompression.
Bei nicht sehr erheblichen Luftdurchsätzen, um die es sich ja immer handeln wird,
kann angenommen werden, daß der Aufwand nicht von der gesamten zu fördernden Luftmasse
sondern vom Produkt aus Luftvolumen und Luftdruck abhängt. Die Nachrechnung zeigt,
daß dieses Produkt proportional ist zu
Für P nur geringfügig größer als p ist dieser Ausdruck sehr groß. Für Drucke P=,)pp
ist er proportional P. Es muß irgendwo ein Minimum geben. Dieses Minimum findet
man durch Differenzieren dieses Ausdrucks nach P und findet für den Differentialquotienten
DisrA sdruck wird Null für
2 p2 - 2 Pp - p2 = O bzw.
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P = 2 p Unter den Voraussetzungen dieser Rechnung ist es also anzustreben,
daß der Arbeitsdruck unter der Trägerplatte gleich zweimal dem für das Tragen des
Gleiters erforderlichen Drucks ist. Porösität (Körnung) und Stärke der Trägerplatte
ist so zu wählen, daß diese Bedingung etwa erfüllt wird.
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Starke Abweichungen von dieser Regel werden unnötige Betriebskosten
machen.
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In der Figur ist als Beispiei für eine erfindungsgemäße Einrichtung
für die Erzeugung eines Luftkissens ein schematisch dargestellter Luftkissentisch
gewählt worden. Dieser Luftkissentisch 1 besteht aus den Seitenwänden 2,3,4 und
5, der Bodenplatte 6 und der oberen Wandung 7, über der ein Luftkissen für den Gleiter
8 erzeugt werden soll. Die genannten Platten bilden mit der Wandung 7 eine Kammer
9, der über die Zuleitung 10 Druckluft in solcher Menge zugeführt wird, daß dort
ein bestimmter Überdruck ständig aufrecht erhalten wird.
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Die Wandung 7 besteht erfindungsgemäß aus porösem Material.
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Die Porigkeit dieser Wandung und der Druck in der Kammer 9 sind so
gewählt, daß die unterhalb desGleiters 8 aus der Wandung 7 austretende Luft ein
dem Gleiter 8 tragendes Luftkissen biidet.
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