DE2725572A1

DE2725572A1 - Hydrodynamisches gleitlager

Info

Publication number: DE2725572A1
Application number: DE19772725572
Authority: DE
Inventors: Paul Newman; Raymond Fredrick Sargent
Original assignee: Rolls Royce PLC
Current assignee: Rolls Royce PLC
Priority date: 1976-06-12
Filing date: 1977-06-07
Publication date: 1977-12-22
Also published as: FR2354475A1; FR2354475B1; AU510267B2; CA1073953A; JPS5758535B2; DE2725572C2; GB1562511A; AU3047177A; JPS5324941A; IT1114874B; US4118079A; SU1111692A3

Description

FATBMTAHWALT Dipl. ing.B. HOLZEB VHILIrPIHB-WBLBBB-BTBABaB IA

89OO AUOSBUBO

TBLBVOB ·1β4Τβ TBLBX SSSSOl prtol 4

R.986

Augsburg, den 2. Juni I977

Rolls-Royce Limited, 65 Buckingham Gate, London SWlE 6AT, England

Hydrodynamisches Gleitlager

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Die Erfindung betrifft ein hydrodynamisches Gleitlager nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs.

Abgesehen von ebenen Führungen lassen sich moderne hydrodynamische Gleitlager in zwei Hauptgruppen einteilen, nämlich in Folienlager und Kippsegmentlager.

Bei einem Folienlager wird eine drehbare Welle in einer feststehenden Lagerschale mittels einer Vielzahl von federnden dünnen Folien gelagert, die feststehend in der Lagerschale angeordnet sind. Eine Drehung der Welle bedingt einen Luftdruckaufbau in den keilförmigen Zwischenräumen zwischen den Folien und der Wellenoberfläche, der schließlich die Folien von der Wellenoberfläche abhebt, so daß die Welle innerhalb der Folien auf Luftkissen läuft. Da die Folien dünn und elastisch sind, passen sie sich radialen Auslenkungen und Wärmedehnungen der Welle an. Folien lager sind auch schon für Drucklager und geradlinige Führungen vorgeschlagen worden.

Folienlager sind beispielsweise in der US-PS 3 215 480, der US-PS 3 *»3Ί 762 und der US-PS 3 635 53¹» beschrieben. In diesen Druckschriften

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ist eine Folie als dünnes, flexibles, mit einem Schmiermittelfilm geschmiertes Lagerungselement definiert, dessen Dicke im Verhältnis zu seinen anderen Abmessungen so gering ist, daß es durch die hydrodynamischen Kräfte im Schmierfilm zwischen der Welle und der Folie örtlich ausgebogen wird. Diese Definition soll die Folienlager von Kippsegmentlagern mit federnd gelagerten Kippsegmenten unterscheiden, bei welchen die Kippsegmente in sich starr sind, so daß sie ihre eigene Geometrie beibehalten und Wellenbewegungen durch die elastische Halterung der Kippsegmente aufgenommen werden. Die Folien bei Folienlagern können gemäß der US-PS 3 43¹» 762 eine Dicke von nur 0,025 mm oder gemäß der US-PS3 215 480 eine Dicke von 0,15 mm pro 25 mm Zapfendurchmesser aufweisen.

Es hat sich gezeigt, daß die geringe Dicke der Folien der Leistungsfähigkeit dieser Lagerbauart Grenzen setzt. Der maximale Druck im Schmiermittelfilm baut sich im Bereich der minimalen Spaltdicke auf.

Sobald sich zwischen der Welle und der Folie ein Druck aufzubauen beginnt, wird die Folie außer in der unmittelbaren Nähe der Abstützungen von der

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Welle weg abgebogen. Die Lagerbelastbarkeit ist eine Punktion des Produktes der erzeugten Drücke und der Fläche, auf welche diese Drücke wirken. Da die Drücke nur in unmittelbarer Nähe der Abstützungen wirksam werden können, wirken sie nur auf einen kleinen Teil der Fläche der Lagerfolien. Es sind deshalb hohe Drücke erforderlich, um die verhältnismäßig große Arbeitsbelastung in einem Hochleistungslager, beispielsweise in einem Gasturbinentriebwerk, aufnehmen zu können, was jedoch sehr kleine Lagerspiele erfordert, die wiederum die Lagerbelastbarkeit infolge des frühzeitigen Kontakts mit der Welle oder zu großer Erwärmung begrenzen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein hydrodynamisches Gleitlager der eingangs genannten Art so auszubilden, daß Ausbiegungen der oben genannten Art, welche die Belastbarkeit des Lagers herabsetzen, nicht auftreten, während jedoch gleichzeitig eine ausreichende Elastizität des Lagers vorhanden ist, um beim Wellenumlauf auftretende Auslenkbewegungen und unterschiedliche Wärmedehnungen der einzelnen Komponenten des Lagers aufnehmen zu können.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die

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AO

im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebene Anordnung gelöst.

Bei dem erfindungsgemäßen Gleitlager sind also die Stützelemente zusammen mit dem jeweils betreffenden Schalenelement aufgrund von Druckänderungen im Schmiermittelfilm zum Stützelement hin bzw. von diesem weg beweglich, wodurch Reaktionskräfte vorgegebener relativer Größen auf das Schalenelement wirksam werden, die zusammen mit den Schmiermittelkräften das Schalenelement einer Biegung unterziehen und dadurch das Profil des genannten Spalts verändern.

Die Lösung der genannten Aufgabe besteht also gemäß der Erfindung im wesentlichen darin, daß die dünnen Folien bekannter Folienlager bzw. die starren Kippsegmente bekannter Kippsegmentlager durch verhältnismäßig dicke, jedoch noch elastische Schalenelemente ersetzt werden und eine gesteuerte Biegung dieser Schalenelemente unter den im Betrieb des Lagers auftretenden Belastungen vorgesehen wird, um eine optimale Lagerbelastbarkeit zu erzielen.

In der vorliegenden Beschreibung ist unter dem Begriff "elastisches Schalenelement¹¹ eine. Platte,

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ein Segment oder dergleichen zu verstehen, die bzw. das gekrümmt oder eben sein kann und eine Dicke aufweist, die mit Bezug auf die anderen Abmessungen so bemessen ist, daß sich das Schalenelement unter dem Einfluß der Schmiermittel- bzw. Gasdruckkräfte und der konzentrierten Abstütz- bzw. Reaktionskräfte nach der allgemeinen Art eines steifen Balkens biegen kann, jedoch steif genug ist, um örtlichen Biegemomenten widerstehen zu können, die im Betrieb durch die hohen Schmiermitteldruckkräfte im Bereich der nicht unterstützten Länge zwischen den Abstützstellen erzeugt werden, so daß eine im wesentlichen gleichförmige Schmiermittelfilmdicke über der gesamten, nicht unterstützen Länge zwischen den Abstützstellen aufrechterhalten werden kann.

In dieser Hinsicht arbeitet das erfindungsgemäße Gleitlager in völlig anderer Weise als ein bekanntes hydrodynamisches Foliengaslager. Ein Vergleich zwischen einer Folie eines solchen bekannten Lagers und einem Schalenelement des erfindungsgemäßen Lagere zeigt, daß das Schalenelement eine Dicke im Bereich des Zehnfachen der Dicke einer Folie eines vergleichbaren Hochleistungslagers und folglich eine Steifigkeit im Bereich des Tausendfachen der Steifig-

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keit einer solchen Folie haben kann.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Lagers liegt darin, daß die verhältnismäßig dicken Schalenelemente mit hochtemperaturbeständigen, reibungsarmen überzügen, beispielsweise aus Kobalt- oder Chromoxiden, überzogen werden können, die beispielsweise durch Plasmaspritzen auftragbar sind, was bei den dünnen Folien bekannter Folienlager nicht möglich ist.

Die Erfindung erstreckt sich auch auf das die Schalenelemente enthaltende Lagerteil an sich.

Die Biegung wird vorzugsweise dadurch ermöglicht, daß die Stützelemente zwischen den Schalenelementen und dem Stützkörper so angeordnet sind, daß ein wählbar bestimmter Anteil der Schmiermitteldruckkräfte nahe der Endkante jedes Schalenelements und der übrige Anteil dieser Druckkräfte an einer zwischen den Enden jedes Schalenelements gelegenen Stelle aufgenommen wird. Diese Reaktionen zwischen den Schalenelementen und den Stützelementen bedingen eine Biegeverformung der Schalenelemente, durch welche die Form der Schalenelemente so verändert wird, daß sich diese im Bereich der minimalen Spaltdicke stärker der Form der Oberfläche des gelagerten Teils

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anpassen und über eine größere Länge der Schalenelemente eine gleichförmigere Spaltdicke erzeugt wird.

Ein gemäß der Erfindung ausgebildetes hydrodynamisches Gleitlager kann beispielsweise als Wellenlager, und zwar sowohl als Radiallager als auch als Axiallager, oder bei geradlinigen Führungen Anwendung finden.

Der im Lager erzeugte Schmiermittelfilm kann ein Plüssigkeits- oder Gasfilm sein. Für die meisten Anwendungen ist jedoch der Schmiermittelfilm zweckmäßigerweise ein Luftfilm, der während der Relativbewegung zwischen den beiden Lagerteilen erzeugt wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform der Erfindung sind die beiden Lagerteile eine Büchse und eine Welle und als Schmiermittel dient Luft.

Die Stützelemente können Teile elastischer Mechanismen sein, beispielsweise von Federn oder deren pneumatischer oder hydraulischer Äquivalente oder von starren Hebelmechanismen.

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- Xb -

Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist zwischen jedem Schalenelement und dem Stützkörper ein Kipphebel vorgesehen, der sich an einer einzigen Stelle, beiderseits derer sich die Stützelemente befinden, am Stützkörper, abstützt. Der Kipphebel kann starr oder elastisch sein, wöbe jedoch elastische Kipphebel bevorzugt werden, so daß die zur Aufnahme von Wellenauslenkungen erforderliche Elastizität des Lagers hauptsächlich durch die Kipphebel gegeben ist und gesondert von der zur Angleichung der Schalenelemente an die Wellenform erforderlichen Elastizität der Schalenelemente behandelt werden kann.

Jeder Kipphebel kann gemäß einer Ausführungsform als Federhebel mit an seinen Enden angeordneten, nach innen ragenden FlächenvorSprüngen, welche die Stützelemente bilden und am zugeordneten Schalenelement anliegen, und mit einem nach außen ragenden Flächenvorsprung ausgebildet sein, der sich an einer zwischen den beiden Hebelenden gelegenen Stelle am äußeren Stützkörper abstützt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist jedes Schalenelement an seinen beiden Enden zur Bildung von Abstufungen ausgeschnitten, wobei die Abstufungshöhen derart unterschiedlich sind,

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daß bei einander überlappend zusammengesetzten
Schalenelementen jeweils ein Absatz zwischen der Endkante eines Schalenelements und der Anfangskante des nächstfolgenden Schalenelements gebildet ist.

In der vorliegenden Beschreibung bezeichnen die Begriffe ^wAnfangskante" und "Endkante" die mit Bezug auf die Richtung der Relativbewegung zwischen den beiden Lagerteilen vorne und hinten gelegenen Enden der Schalen elemente.

Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung
werden nachstehend mit Bezug auf die anliegenden
Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 Einen schematischen Querschnitt

durch ein hydrodynamisches
Gleitlager nach der Erfindung,

die Fig. 2a,

2b und 2c graphische Darstellungen der

Spaltprofile im unbelasteten und im belasteten Lagerzustand und des Luftdruckes im Spalt während des Betriebs,

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Fig. 3 eine auseinandergezogene per

spektivische Darstellung eines Gleitlagers nach der Erfindung,

Fig. ¹J einen Querschnitt durch das in

Fig· 3 gezeigte Gleitlager in zusammengebautem Zustand,

Fig. 5 einen Axialschnitt durch die

Lagerschale und einen Teil der Welle, und

Fig. 6 einen Querschnitt durch eine

alternative Ausführungsform eines Gleitlagers nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch ein Wellenlager, bei welchem eine Welle 10 drehbar in einer Lagerschale 12 gelagert ist, wobei sich im Betrieb zwischen der Wellenoberfläche und den Oberflächen von vier Schalenelementen 14 der Lagerschale ein Schmiermittelfilm bildet. Die Anfangskante jedes Schalenelements wird von der Endkante des jeweils vorhergehenden Schalenelemente derart unterstützt, daß ein Absatz gebildet ist, so daß

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zwischen der Wellenoberfläche und den Oberflächen der Schalenelemente jeweils ein Spalt 16 entsteht, der sich zur Endkante jedes Schalenelements hin verjüngt.

Wenn sich die Welle 10 im Betrieb in Richtung des Pfeiles R dreht, wird Luft in die sich verjüngende Spalte 16 hineingezogen, und mit zunehmender Drehzahl steigt der Druck im Luftfilm an, bis der Luftfilm die Welle vom Schalenelement abhebt und die Welle vollständig auf dem Luft film läuft.

Zur Optimierung der Belastbarkeit des Lagers sind Abstützorgane in Form von federnden Kipphebeln vorgesehen, die zwischen den Schalenelementen und der als starrer Stützkörper dienenden Lagerschale 12 angeordnet sind und die auf die Schalenelemente ausgeübten Luftdruckkräfte auf die Lagerschale übertragen. Dabei üben die Kipphebel 18 Reaktionskräfte auf die Schalenelemente aus, wodurch deren Form mit Bezug auf ihre unbelastete Form verändert wird.

Die Position der die Reaktionskräfte übertragenden Abstützstellen sind so berechnet, daß sich eine Form der Schalenelemente ergibt, die sich stärker der Wellen-

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form anpaßt, um für eine Konstruktionsdrehzahl und Konstruktinsbelastung der Welle ein optimales Spaltprofil zwischen der Welle und dem betreffenden Schalenelement zu erhalten.

Es sollen nunmehr die auf ein Schalenelement wirkenden Kräfte betrachtet werden. Der Luftdruck im Spalt erzeugt eine verteilte Last auf dem Schalenelement, die sich mit der Dicke des Spalts ändert, wobei der maximale Druck an der Stelle der minimalen Spaltdicke erzeugt wird. Diese Last kann zur Vereinfachung der Untersuchung als nahe der Druckspitze auf das Schalenelement wirkende Einzellast A betrachtet werden.

Diese Last A wird über den federnden Kipphebel 18, der an den Stellen B und C das Schalenelement abstützt und sich an der Stelle D an der Lagerschale abstützt, auf die Lagerschale übertragen. Die an den Stellen B und C auf das Schalenelement wirkenden Reaktionskräfte führen eine Biegung des Schalenelements nach Art der Biegung eines Balkens herbei, so daß die Krümmung des Schalenelements stärker als im unbelasteten Zustand der Oberflächenkrümmung der Welle angepaßt ist. Eine weitere, das Schalenelement beeinflussende Reaktionskraft tritt an der Stelle E auf, an welcher sich zwei Schalenelemente überlappen und das jeweils vorhergehende Schalenelement

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eine nach außen gerichtete Kraft ausübt.

Die Wirkung der kombinierten Gasdruckkräfte und der verschiedenen Reaktionskräfte auf das Schalenelement kann durch geeignete Positionierung der Punkte B und D so gestaltet werden, daß sich für eine gewählte Konstruktionsdrehzahl und Konstruktionsbelastung der Welle ein optimales Spaltprofil zwischen der Welle und dem Schalenelement ergibt. Dies wiederum ergibt eine größere Lagerbelastbarkeit bei gegebenem Maximaldruck.

Da die Schalenelemente als elastische Balken wirken und die für irgendeine gegebene Spaltdicke erzeugten Luftdruckwerte berechnet werden können, können auch die Abmessungen der Kipphebel und die Positionen und Größen der Reaktionskräfte so berechnet werden, daß durch geeignete Biegung der Schalenelemente eine optimale Lagerbelastbarkeit erzielt wird.

Zur Erzielung der größtmöglichen Leistungsfähigkeit sind natürlich zahlreiche Abwandlungen der Konstruktion des Lagers möglich. Beispielsweise kann die Anordnung so getroffen werden, daß die minimale

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Spaltdicke an der Endkante jedes Schalenelements auftritt, wenn sich das Lager in Ruhe befindet, so daß die minimale Spaltdicke im Betrieb des Lagers in der Nähe der Endkante bleibt. Außerdem brauchen sich die Schalenelemente an ihren Enden nicht zu überlappen und mit Ausnahme der Abstutzstelle B, die zwischen den Enden jedes Schalenelements liegen muß, können andere Abstützstellen an den Schalenelementenden oder mit Abstand davon angeordnet sein.

Die Fig. 2a, 2b und 2c zeigen Diagramme, die sich auf die nachstehend mit Bezug auf die Fig. 3 bis 5 beschriebene spezielle Lagerkonstruktion beziehen. Fig. 2a zeigt das Spaltprofil bei der Belastung Null und stillstehender Welle. Es ist ersichtlich, daß sich der Spalt bis auf den Wert Null an der Endkante des Schalenelements verringert· Fig. 2b zeigt das Spaltprofil bei einer Belastung von 114 Ib (52 kp), und es ist ersichtlich, daß infolge der eine Biegung des Schalenelements hervorrufenden Reaktionskräfte an den Stellen B, C und E die Spaltdicke über eine beträchtliche Länge des Schalenelements vorderhalb seiner Endkante im wesentlichen gleichförmig bleibt· Fig. 2c zeigt das abgeflachte Druckprofil im Luftfilm zwischen

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der Welle und dem Schalenelement, aufgrund dessen das erfindungsgemäße Lager im Vergleich zu Folienlagern beträchtlich höhere Belastungen aufnehmen kann.

Die Lagerkonstruktion, von welcher die oben beschriebenen Diagramme abgeleitet sind, ist, wie bereits erwähnt, in den Fig. 3 bis 5 gezeigt. Gemäß diesen Darstellungen ist eine Welle 20 wiederum drehbar in einer Lagerschale 22 mit Hilfe von vier Schalenelementen 21 (in Fig. 3 nur drei dargestellt) die sich jeweils über einen Winkel von 90 um den Wellenumfang herum erstrecken.

Jedes Schalenelement besitzt einen festen Krümmungsradius, der um einen geringen Betrag, nämlich /\R größer als der Wellenradius R ist, und jedes Schalenelement ist an seinen beiden Enden zwecks Bildung einer Abstufung 26 ausgeschnitten, so daß die zusammengesetzten Schalenelemente sich jeweils an ihren Enden überlappen. Die Abstufungshöhen hl und h2 der radial innenliegenden Stufenteile sind an den beiden Enden jedes Schalenelements unterschiedlich. Im zusammengebauten Lager weist deshalb die Anfangskante jedes Schalenelements einen Abstand von der Welle auf, so daß an dieser Stelle ein fester Spalt g zwischen der radial inneren

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Schalenelementoberfläche und der Wellenaußenfläche vorhanden ist. Da die Endkante jedes Schalenelements, die frei bzw. nicht unterstützt ist, sich in Berührung mit der Welle bzw. im Betrieb des Lagers in nur sehr kleinem Abstand von der Welle befindet, ist zwischen dem Schalenelement und der Welle ein sich verjüngender Spalt gebildet. Dieser sich verjüngende Spalt konvergiert in Richtung der Wellendrehung, d.h. zur Endkante des Schalenelements hin, so daß eine Drehung der Welle eine Verdichtung von Luft zwischen Welle und Schalenelement bewirkt, wodurch eine Auftriebskraft entsteht, welche die Welle während der Drehung auf einem Luftfilm trägt.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel beträgt der Wellenradius R 1,851 Zoll (17 mm) und Z\r beträgt 0,004 Zoll (0,1 mm). Polglich beträgt die Höhe der Abstufung g an der Anfangskante des Schalenelements ohne Belastung der Welle (außer der Eigenlast) und bei stillstehender Welle 0,004 Zoll (0,1 mm).

Die Schalenelemente sind ihrerseits in der Lagerschale 22 mittels gekrümmter federnder Kipphebel 28 abgestützt. Jeder Kipphebel ist in seiner

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Lage einem Schalenelement zugeordnet, und die ge samte Anordnung der Schalenelemente und der Kipphebel innerhalb der Lagerschale ist durch vier Stifte 30, die durch die Lagerschale und die Kipphebel hindurch in Bohrungen 32 der Schalenelemente hineinragen, gegen Drehung gesichert. Jeder Kipphebel 28 weist an seinen beiden Enden eine radial nach innen ragende Rippe 3¹* bzw. 36 auf, die sich axial über den betreffenden Kipphebel erstreckt. Diese Rippen liegen an den Außenflächen der Schalenelemente an, und die Kipphebel sind so angeordnet, daß eine der beiden Rippen ein Schalenelement im Bereich seines mit dem benachbarten Schalenelement überlappenden Endes und die andere Rippe dieses benachbarte Schalenelement an einer zwischen seinen beiden Enden gelegenen Stelle unterstützt.

Außerdem weist jeder der federnden Kipphebel an sener radial äußeren Fläche eine ähnliche Rippe 38 auf, mit welcher er an der äußeren Lagerschale abge stützt ist· Dadurch können die Kipphebel die notwendige Vorspannkraft auf die Schalenelemente ausüben, um die Welle in ihrer Ruhestellung festzulegen.

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Im Betrieb baut sich auf jedem Schalenelement in der oben schon beschriebenen Weise ein Luftdruck auf und es stellt sich eine Druckverteilung ein, deren Spitze eine kurze Distanz vor dem freien Ende jedes Schalenelements liegt, wo der Spalt seine minimale Dicke besitzt.

Sobald sich ein ausreichender Druck aufgebaut hat, um die Vorspannung auf die Schalenelemente zu überwinden, heben sich die Schalenelemente an ihren Endkanten von der Welle ab, so daß ein dünner Luftfilm zwischen der Welle und den Schalenelementen entsteht, der die umlaufende Welle in der oben beschriebenen Weise trägt.

Wird im Betrieb des Lagers eine Radiallast auf die Welle ausgeübt, so wirken die federnden Kipphebel folgendermaßen:

Eine radiale Auslenkung der Welle versucht zunächst, die geringe Spaltdicke zwischen den Schalenelementen und der Welle zu verringern, wodurch unmittelbar der Druck im Luftfilm auf diesen Schalenelementen ansteigt. Die Auslenkung- der Welle wird deshalb über den Luftdruck auf das betreffende Schalenelemente übertragen, welches

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ebenfalls radial nach außen auszulenken versucht. Wegen der überlappenden Anordnung der Schalenelemente bewirkt eine Auslenkung der Endkante eines Schalenelements eine entsprechende Auslenkung der darauf ruhenden Anfangskante des benachbarten Schalenelements, so daß sich die Höhe g der Abstufung zwischen den benachbarten Schalenelementen nicht ändern kann. Die Schalenelemente bewegen sich deshalb insgesamt in Richtung der Wellenauslenkung, wodurch die Vorspannkraft auf einer Seite des Lagers erhöht und auf der anderen Lagerseite verringert wird.

Da die Schalenelemente jeweils von der unmittelbar am betreffenden Schalenelement anliegenden Rippe ~$k und mittelbar über das angrenzende Schalenelement durch die Rippe 36 der Kipphebel unterstützt werden, ruft eine Bewegung der Schalenelemente eine Verschiebung der Abstützstellen der Kipphebel, d.h. der Rippen 3¹I und 36 hervor. Diese wiederum bedingt eine Biegung der Kipphebelarme zwischen den Rippen 34 und 36 und der Abstützstelle 38 der Kipphebel an der Lagerschale. Das so erzeugte Biegemoment in den Hebelarmen erzeugt Reaktionskräfte, die über die Rippen 3M und 36 auf das betreffende Schalenelement übertragen werden. Da diese Reaktionskräfte auf zueinander entgegengesetzten Seiten

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der resultierenden Luftdruckkraft liegen, verursachen sie eine Biegung des Schalenelements, so daß sich dieses nahe seiner Endkante stärker der Wellenform anpaßt.

Durch geeignete Wahl der Hebelarmlängen zwischen den Rippen 3¹J und 36 und der Rippe 38 sowie der Steifigkeit der Schalenelemente und der Kipphebel können die Reaktionskräfte auf die Schalenelemente so bemessen werden, daß sie die Krümmung der Schalenelemente relativ zur Krümmung der Wellenoberfläche und folglich das Spaltprofil so verändern, daß das Spaltprofil die in Fig. 2b gezeigte optimale Form einnimmt und die in Fig. 2c dargestellte abgeflachte Druckverteilung entsteht, deren Maximaldruck kleiner als der Spitzendruck ist, die bei einem unveränderten Spaltprofil entstehen würde. Dieser Druck, der über eine beträchtliche Länge der Schalenelementoberfläche wirksam ist, vergrößert die Lagerbelastbarkeit erheblich.

Es ist also ersichtlich, daß bei dem erfindungsgemäßen Lager die Schalenelemente nicht der starken örtlichen Verformung bzw. Ausbeulung unterliegen, die bei den sehr dünnen Folien von Folienlagern auftritt, da die Steifigkeit der Schalenelemente so groß ist, daß sie den Schmiermitteldruckkräften zwischen den

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Abstützstellen an den Kipphebeln widerstehen und eine geringere Deformation der Schalenelemente eintritt.

Wie aus Fig. 5 ersichtlic ist, ist die Schalenelement anordnung in der Lagerschale durch Ringe 40 vervollständigt, welche in, in Umfangsrichtung verlaufende Vorsprünge 42 an den axialen Enden jedes Schalenelements eingreifen. Die Ringe 40 sind ihrerseits mittels Federringen 44 in der Lagerschale fixiert. Die Lagerschale, die Schalenelemente und die federnden Kipphebel bilden zusammen ein Lagerteil, in welches die Welle eingesetzt werden kann.

Die Theorie zeigt, daß bei Verwendung einer kleinen Anzahl von Schalenelementen größerer Länge ein größerer Auftrieb erzeugt werden kann. Obwohl jede beliebige Anzahl von Schalenelementen beispielsweise zwischen 3 und 12 wählbar ist, hat sich gezeigt, daß eine Anzal von vier Schalenelementen zweckmäßig ist. Bei vier zylindersegmentförmigen Schalenelementen ist ersichtlich, daß wenn die Radiendifferenz AR zwischen der Innenoberfläche der Schalenelemente und der Wellenaußenfläche im unbelasteten Zustand gleich

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der Absatzhöhe an den unterstützen Schalenelementenden ist, die Berührungsstellen zwischen der Welle und den Schalenelementen im unbelasteten Zustand an den Endkanten der Schalenelemente liegen.

Obwohl die Schalenelemente gemäß der obigen Beschreibung im freien Zustand einen konstanten Radius besitzen können, können sie natürlich auch nach einem anderen geeigneten, beispielsweise kubischen Gesetz gekrümmt sein, wobei dann die Absatzhöhe entsprechend gewählt wird.

Beim oben beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Schalenelementdicke 0,14 Zoll (3,55 mm) und die Konstruktionsdrehzahl der Welle, für welche das Lager ausgelegt ist, beträgt nur 10 000 U/min. Pur höhere Wellendrehzahlen und höhere Belastungen der Schalenelemene liegt die Dickenabmessung der Schalenelemente im Bereich von 0,06 Zoll pro Zoll Wellendurchmesser (1,5 mm pro 25 mm Wellendurchmesser).

Bei anderen Ausführungsformen können die Stützelemente unterschidliche Formen aufweisen. Beispielsweise können die federnden Kipphebel durch nicht mit-

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einander verbundene federnde Abstützungen mit unterschiedlichen Federkonstanten zwecks Herstellung proportionaler Reaktionskräfte an den verschiedenen Abstützstellen ersetzt sein, um bei radialer Auslenkung der Schalenelemente eine geeignete Biegung derselben zu erzeugen. Alternativ dazu können die federnden Kipphebel durch starre Kipphebel ersetzt werden, wobei die Lastverteilung einfach durch das Verhältnis der Hebelarme hergestellt wird.

Federnde Kipphebel der oben beschriebenen Art werden jedoch bevorzugt, da die Steifigkeit der Schalenelemente dann auf der Basis berechnet werden können, daß die Kipphebel die zur Aufnahme von Wellenauslenkungen und Schwingungen erforderliche Elastizität bereitstellen und die Schalenelementelastizität zu dieser Aufgabe nur wenig beizutragen braucht. Selbstverständlich müssen die Steifigkeiten der Schalenelemente und der Kipphebel aufeinander abgestimmt sein, jedoch wird eine größere Flexibilität der Konstruktion erzielt.

Fig. 6 zeigt eine alternative Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Schalenelemente voneinander unabhängig und nicht überlappend angeordnet

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sind. In dieser Hinsicht ähnelt das in Fig. 6 gezeigte Lager mehr einem Kippsegmentlager als einem Folienlager, jedoch liegt der Unterschied darin, daß die Schalenelemente eine gewisse Elastizität besitzen und die Unterstützungen eine gesteuerte Biegung der Schalenelemente hervorrufen, um die Lagertragfähigkeit zu optimieren. Gleiche Teile wie bei dem Lager nach den Fig. 3 bis 5 sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Sie Schalenelemente 40 werden von federnden, gleichzeitig als Lagesicherungen dienenden Kipphebeln getragen, welche die Enden der Schalenelemente umgreifen. Jeder Kipphebel weist Rippen 44 und 46 auf, welche das betreffende Schalenelement unmittelbar unterstützen, und eine weitere Rippe 40 auf der Außenseite des Kipphebels dient der Abstützung an der Lagerschale 52. Die Rippe 50 liegt in der Wirkungslinie der Resultierenden der Gasdruckkräfte, und die Rippen 44 und 46 bewegen sich, wie oben beschrieben, in radialer Richtung, wenn sich das Schalenelement unter der Wirkung der Gasdruckkräfte bewegt, und übertragen Biegekräfte auf die Hebelarme zwischen den Rippen 44 und 46 und der Rippe 50.

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Die Rippe 50 überträgt die Druckkräfte auf die Lagerschale, und die beiderseits der Rippe 50 durch die Rippen 44 und 46 auf das Schalenelement übertragenen Reaktionskräfte biegen das Schalenelement in eine, eine größere Tragfähigkeit ergebende Gestalt. Bei diesem Beispiel wird durch den das Schalenelement an seiner Anfangskante haltendem Federhebel eine weitere Reaktionskraft erzeugt, die zusätzlich zu den anderen Reaktionskräften ein im Uhrzeigersinn drehendes Moment im Schalenelement erzeugt, das zum Erreichen der optimalen Schalenelementverformung beiträgt.

Weitere Vorteile der Erfindung liegen darin, daß bei geeigneter Dicke der Schalenelemente, die gemäß der obigen Beschreibung bei einem Lager mit 75 mm Durchmesser etwa 3,75 nun betragen kann, ein Metalloxid zur Herabsetzung der Reibung zwischen den Schalenelementen und der Welle auf die Schalenelemente aufgespritzt sein kann. Geeignete Oxide für erhöhte Betriebstemperaturen von etwa 500 ° sind Chromoxid, Kobaltoxid oder eine Kombination von Nickel- und Chromoxiden, und die Oxidschicht kann eine Dicke zwischen 0,05 nun und 0,15 mm haben. Gewünsentenfalls kann auch die Wellenoberfläche mit einem Oxidüberzug versehen sein.

Für Anwendungen bei niedrigeren Betriebstemperaturen können andere bekannte reibungsarme überzüge Anwendung finden.

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Claims

Patentansprüche

1. Hydrodynamisches Gleitlager mit einem lagernden Teil und einem relativ dazu bewegbaren gelagerten Teil, wobei eines dieser Teile einen starren Stützkörper aufweist und wobei zwischen diesen beiden Teilen bei relativer Bewegung ein Schmiermittelfilm gebildet wird, dadurch gekennzeicnnet, daß auf dem Stützkörper (22) eine Anzahl von elastischen Schalenelementen (24) angeordnet ist, wobei zwischen der Oberfläche des anderen Teils (20) und den damit zusammenwirkenden Schalenelementoberflachen jeweils ein sich in Richtung der Relativbewegung zwischen den beiden Teilen verjüngender Spalt (g) gebildet ist, und daß jedem Schalenelement mindestens zwei in Richtung der Relativbewegung auseinanderliegende, zusammen mit dem betreffenden Schalenelement zum Stützkörper hin bzw. von diesem weg bewegliche Stützelemente (34, 36) zugeordnet sind, über welche Druckkräfte vom Schalenelement auf den Stützkörper übertragbar sind.

2. Hydrodynamisches Gleitlager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das lagernde Teil den Stützkörper (22) aufweist, auf welchem die Schalenelemente (24) angeordnet sind.

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ORIGINAL INSPECTED

3. Hydrodynamisches Gleitlager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das gelagerte Teil eine drehbare Welle (20) und das lagernde Teil eine zylindrische Lagerschale (22) ist.

4. Hydrodynamisches Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Stützelement (36), in Richtung der Relativbewegung zwischen den beiden Teilen (20, 22) gesehen, nahe der Endkante des betreffenden Schalenelements (24) und das zweite Stützelement (34) an einer zwischen der Anfangskante des Schalenelements und der Resultierenden der auf das Schalenelement wirkenden Druckkräfte gelegenen Stelle angeordnet ist,

5. Hydrodynamisches Gleitlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein weiteres Stützelement nahe der Anfangskante des Schalenelements gelegen ist.

6. Hydrodynamisches Gleitlager nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Stützelement (34) ein größeres Biegemoment auf das betreffende Schalenelement (24) als das erste Stützelement (36) ausübt.

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7. Hydrodynamisches Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stützelemente (3*4, 36) an Kipphebeln (2 8) angeordnet sind, die sich jeweils an einer einzigen Stelle (38) am Stützkörper (22) abstützen, und daß sich das eine Stützelement (36) und das andere Stützelement (3Ό auf bezüglich dieser Stelle (38) entgegengesetzten Seiten des jeweiligen Kipphebels befinden.

8. Hydrodynamisches Gleitlager nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Kipphebel (28) federnd sind,

9. Hydrodynamisches Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützkörper (22) zylindrisch ist und die Schalenelemente (2¹J) sich über dessen Innenumfang erstrecken.

10. Hydrodynamisches Gleitlager nach Anspruch und 9, dadurch gekennzeichnet, daß sich jeder Kipphebel (28) mittels eines radial nach außen ragenden Flächenvorsprungs (38) am Stützkörper (22) abstützt und daß die Stützelemente (3¹I, 36) jeweils durch radial einwärts gerichtete Flächenvorsprünge des Kipphebels gebildet sind.

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11. Hydrodynamisches Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die in Richtung der Relativbewegung zwischen den beiden Teilen (20, 22) gesehenen Anfangs- und Endkanten der aufeinanderfolgenden Schalenelemente (24) jeweils mit einer Abstufung (26) versehen sind und sich überlappen, und daß die Abstufungshöhe (hl, h2) an der Anfangskante und der Endkante jedes Schalenelements um einen bestimmten Betrag unterschiedlich ist, derart, daß die Anfangskante jedes Schalenelements zwecks Bildung des sich zu seiner Endkante hin verjüngenden Spalts (g) mit dem genannten anderen Teil (20) von diesem einen vorgegebenen Abstand aufweist.

12. Hydrodynamisches Gleitlager nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalenelemente (24) zylindersegmentförmig sind und einen etwas größeren Radius als die das gelagerte Teil bildende Welle 20 besitzen.

13. Hydrodynamisches Gleitlager nach Anspruch 3 und einem der Ansprüche 7 bis 13» dadurch gekennzeichnet, daß die Schalenelemente (24) und die Kipphebel (28) mittels Stiften (30), die durch die Kipphebel hindurchverlaufen, drehfest im Stützkörper (22)

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verriegelt sind.

I¹I. Hydrodynamisches Gleitlager nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schalenelemente (2¹I) voneinander unabhängig im Stützkörper (22) gehaltert sind.

15. Hydrodynamisches Gleitlager nach Anspruch I¹I, dadurch gekennzeichnet, daß die Kipphebel (42) an ihren Enden mit Haken versehen sind, welche die Enden der Schalenelemente (¹IO) umgreifen.

16. Hydrodynamisches Gleitlager nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Schmiermittelfilms Luft dient.

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