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Hydrodynamisches Layer
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Die Erfindung betrifft hydrodynamische Lager mit Flüssigfilmschmierung
und sie löst die Probleme, welche den bekannten Lagern innewohnen, welche zusammengesetzte
gekrümmte Lagerflächen aufweisen, welche radiale, axiale und Drehmomentbelastungen
aufnehmen sollen. Die vorliegende Erfindung verwendet das Arbeitsprinzip des Schwingungskissenlagers,
welches in der amerikanischen Patentschrift 3 930 691 von Jerome Greene offenbart
ist, bei einer Lageranordnung, welche zusammengesetzte, gekrümmte Lagerflächen zur
Aufnahme von radialen, axialen und Drehmomentbelastungen verwendet.
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Im wesentlichen offenbart das genannte amerikanische Patent ein hydrodynamisches
Lagerkissen, welches einen beweglichen vorderen Abschnitt aufweist, welcher neben
einem relativ beweglichen, eine Last ausübenden oder einer stützenden Fläche in
Gegenwart eines Schmiermittels angeordnet ist. Der vordere Abschnitt des Lagerkissens
ist auf einem Basiselement abgestützt und gegenüber diesem um eine Schwingungsachse
oder um ein Schwingungszentrum verschwenkbar, welche bzw. welches von dem vorderen
Abschnitt entfernt im Bereich, des beweglichen, die Belastung ausübenden oder der
stützenden Fläche angeordnet ist, so daß ein Schmiermittelkeil erzeugt wird Die
Bewegung des beweglichen vorderen Abschnitts des Kissens relativ zu dem Last- oder
Tragteil bewirkt, daß der vordere Abschnitt unter dem kombinierten Einfluß der Belastungs-
und der Reibungskräfte relativ zu dem Last- oder Tragteil um kleine Beträge verschwenkt
wird, so daß.ein keilförmiger Spalt erzeugt wird, welcher in Richtung der Bewegung
des Last- oder Tragteils relativ zu dem vorderen Abschnitt des Kissens konvergiert.
Normalerweise sind mehrere solche Lagerkissen in einem typischen Lager vorgesehen,
um ein relativ bewegliches Lastteil oder ein Stützteil zu lagern. Das Schmiermittel
wird infolge der Relativbewegung zwischen den Oberflächen in die vielen Spalte hineingezogen,
und die hydrodynamische Wirkung hält die vorderen Abschnitte der Kissen und die
benachbarte, relativ bewegliche Oberfläche mit Abstand voneinander fort, und zwar
praktisch im Augenblick des Einsetzens der Relativbewegung und während der gesamten
Betriebsdauer.
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Die Form des Schmiermittelkeils, welcher jedem Lagerkissen zugeordnet
ist, stellt sich während des Betriebs des Lagers unter veränderlichen Belastungs-
und Geschwindigkeitsbedingungen aufgrund dieser einzigartigen Konstruktion selbsttätig
ein.
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Der vordere Abschnitt jedes Kissens ist mit einem es abstützenden
Basiselement insbesondere längs einer gekrümmten Grenzfläche verbunden, deren Krümmungszentrum
sich im gewünschten
Zentrum der Schwenkbewegung des vorderen Abschnitts
befindet. Ein gekrümmtes, laminiertes, elastomer-unelastisches Material ist zwischen
dem vorderen Abschnitt und dem darunter liegenden Basiselement jedes Kissens angeordnet
und mit beiden Seiten an jeweils einem der Elemente befestigt. Das Laminat ist in
Scherrichtung (parallel zu der gekrümmten Grcnzfläche zwischen dem vorderen Abschnitt
und dem darunter liegenden Basiselement) nachgiebig oder federnd, es ist jedoch
in radialer Richtung (senkrecht zu der gekrümmten Grenzfläche) im wesentlichen starr.
Deshalb kann der vordere Abschnitt jedes Lagerkissens leicht in eine leicht geneigte
Position um das Schwingungszentrum oder die Schwingungsachse verschwenkt werden,
und zwar unter dem Einfluß der Reibungs- und Belastungskräfte, welche von dem Last-
oder Tragteil auf seine Oberfläche ausgeübt wird, während es dennoch seine grundlegende
Position in der Lageranordnung beibehält.
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Das oben genannte amerikanische Patent offenbart Ausführungsbeispiele
für Radiallager und für Axiallager, wobei das Konzept des schwingenden Kissens verwendet
wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung soll dasselbe Prinzip in einem kombinierten
radialen und axialen Lager verwendet werden, welches zusammengesetzte gekrümmte
Lagerflächen aufweist; das Schwingkissenlager vermeidet die Probleme, welche bei
den bekannten Lagern auftreten, insbesondere wenn große radiale Belastungen aufgenommen
werden sollen.
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Es ist insbesondere bekannt, daß der rotierende Teil eines einfache
radialen Drehlagers mit kontinuierlich geschmierten Gleitflächen tatsächlich leicht
exzentrisch in bezug auf die Längsachse des Lagers läuft, und diese Exzentrizität
erlaubt die Erzeugung eines Schmiermittelkeils zwischen den relativ beweglichen
Lagerflächen. Durch die Drücke, welche durch die hydrodynamische Aktion erzeugt
werden, hält der Schmiermittelkeil seinerseits die Lagerflächen auseinander, so
daß ein direktor Kontakt der Oberflächen vermieden wird und der Reibungswiderstand
der Bewegung auf ein Minimum gebracht wird.
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Für Gleitlager, welche sowohl radiale als auch axiale Kapazität aufweisen
sollen, hat man vorgeschlagen, zusammengesetzte gekrümmte Oberflächen verschiedener
Formen zu verwenden (z.B. eine Kugel in einer Schale oder in einer Hülse). Das Problem
besteht darin, daß die symmetrische, zusammengesetzte Krümmung der kontinuierlichen
Lagerflächen dazu neigt, das bewegliche Lagerelement daran zu hindern, daß es seine
exzentrische, belastete Rotationsposition einnimmt, in welcher der Schmiermittelkeil
gebildet wird, wenn das Lager in axialer Weise belastet ist. Die axiale Lagerfläche,
welche gleichmäßig um die Rotationsachse gekrümmt ist, neigt dazu, das rotierende
Element im Zentrum des Lagers zu halten und deshalb kann durch das Lager kein eine
radiale Belastung tragender Keil gebildet werden, weil in dem Schmiermittelfilm
keine hydrodynamischen Drücke erzeugt werden, die ausreichen würden, die Lagerflächen
voneinander entfernt zu halten.
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Für solch eine Anwendung könnte eine hydrodynamische Anordnung mit
kippbaren Kissen ins Auge gefaßt werden, die erforderliche zusammengesetzte Krümmung
der Lagerfläche des kippbaren Kissens würde jedoch zusammen mit der veränderlichen
Natur der radialen und der axialen Belastungen dazu führen, daß die Position des
Zentrums des auf die kippbaren Kissenelemente wirkenden Druckes unvorherbestimmbar
wäre. Da das Zentrum des Druckes in einer Lageranordnung mit kippbaren Kissen praktisch
mit dem Drehpunkt der Kippbewegung ausgerichtet sein muB, um eine Instabilität des
kippbaren Segmentes des Lagers zu verhindern, weist ein Kippkissenlager entscheidende
Nachteile auf, welche seine Anwendung unter den erörterten Bedingungen sehr einschränkt.
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Die vorliegende Erfindung verwendet das Konzept des Schwingkissenlagers,
wie es in der oben genannten Patentschrift offenbart ist, bei einer Lageranordnung,
welche zur Aufnahme von radialen, axialen und von Drehmomentbelasiungen ausgebildet
ist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung führt die Tatsache, daß die Lagerflächen
der Schwingkissen keine spezifische feste Relation zwischen ihren Druck zentren
und ihren Schwingungszentren erfordern dazu, daß sie besonders geeignet sind zur
Anwendung von kombinierten Radial- und Axiallagern, wenn die Lagerflächen zusammengesetzte
Krümmungen aufweisen. Bei Verwendung des Konzeptes des Schwingkissenlagers führt
jede Kombination einer radialen und einer axialen Belastung der Lagerkissen durch
eine Bewegung der Oberfläche zur der Erzeugung eines die Last tragenden Schmiermittelkeils.
Die Kissenposition ändert sich automatisch zur Erhaltung der Stabilität des Kissens,
und diese Position hängt von den relativen Werten der Reibungs- und der Belastungskräfte
und von ihren relativ verschiedenen Einwirkungsrichtungen ab.
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Gemäß der Erfindung sind insbesondere zwei Gruppen von Schwingkissenlagern
zylindrisch um die Längsachse eines Last- oder Tragteils angeordnet, wobei die Kissen
jedes Satzes zusammengesetzte gekrümmte Oberflächen aufweisen, welche neben den
nicht gekrümmten Oberflächen des Last- oder Tragteils angeordnet sind. Die Lagerkissenflächen
jeder Gruppe von Lagern haben Krümmungen, welche symmetrisch zur Längsachse (zwischen
sphärisch und konisch) und welche relativ zu der Längsachse in entgegengesetzten
Richtungen geneigt sind, so daß radiale, axiale und Drehmomentbelastungen von der
Lageranordnung aufgenommen werden können. Die beweglichen vorderen Elemente der
Lagerkissen bewegen sich um ihre jeweiligen Schwingungspunkte, weil die Lagerkissen
so konstruiert sind, daß dynamisch stabile und ausgeglichene flüssige Schmiermittelkeile
zwischen den sich relativ zueinander bewegenden Lagerflächen erzeugt werden, unabhängig
von den axialen und radialen Belastungen des Lagers. Reibungskräfte, welche durch
sich bewegende radiale Lasten verursacht werden, bewirken, daß die Lagerkissenflächen
um ihre Schwingungspunkte in Richtungen parallel zur Richtung der Bewegung der benachbarten
Lagerfläche des Last- oder Tragteils
bewegt werden, während axiale
Belastungen bewirken, daß die beweglichen Vorderabschnitte der Lager zu der Quelle
der Axialbelastung zurückschwingen, so daß die Drücke des flüssigen Films zwischen
den sich bewegenden Flächen ausgeglichen sind. Die Axiallasten stören nicht, was
besonders wichtig ist, die Fähigkeit des Lagers, die gewünschten Schmiermittelkeile
zu erzeugen.
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Die Erfindung betrifft somit ein hydrodynamisches Lager, welches radiale,
axiale und Drehmomentbelastungen zwischen einem inneren Last- oder Tragteil, welches
mit dem Lager verbunden ist, aufnehmen kann. Dieses Lager verwendet wenigstens ein
Paar von zylindrischen Gruppen von Lagerkissen, welche um einen in Längsrichtung
verlaufende Rotationsachse angeordnet sind, und die Kissen haben bewegliche Vorderabschnitte
mit zusammengesetzten gekrümmten Lagerflächen, welche symmetrisch um und längs der
Längsachse angeordnet sind. Die gekrümmten Oberflächen entsprechen ähnlich gekrümmten
Lagerflächen an dem Last- oder Tragteil. Die vorderen Abschnitte der Lagerkissen
sind so gestützt, daß sie um "Schwingungspunkte" schwingen können, welche zwischen
der Rotationsachse des Lagers und den vorderen Abschnitten derselhen angeordnet
sind; die Schwingung erfolgt unter den kombinierten Einflüssen der Reibungs- und
Lastkräfte, welche von dem Last- oder Tragteil ausgeübt werden, so daß durch die
hydrodynamische Wirkung keilförmige Schmiermittelfilme zwischen den relativ zueinander
beweglichen Lagerflächen erzeugt werden, um die Lagerflächen während dieser Bewegung
voneinander entfernt zu halten. Radiale, axiale und Drehmomentbelastungen zwischen
dem Last- oder Tragteil und dem Lagerkissen werden wirksam von dem Lager aufgefangen
und übertragen, aufgrund der besonderen Relation zwischen den Lagerflächen, ohne
daß die hydrodynamische Wirkung des Lagers in nachteiliger Weise beeinflußt würde.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen
in Verbindung mit der Zeichnung und der Beschreibung hervor. In letzterer zeigen:
Fig. 1 eine diagrammatische Seitenansicht eines kombinierten radialen, axialen und
Drehmomentlagers, Fig. 2 eine teilweise Endansicht des Lagers der Fig. 1, Fig. 3
eine Detailansicht einer Laminatanordnung mit verschiedenen Schichten, Fig. 4 eine
andere Ausführungsform der Erfindung, und Fig. 5 das Wirkungsprinzip der Schwingkissenelemente.
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Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Lager umfaßt zwei zylindrisch
angeordnete Gruppen von Lagerkissen 10 und 12, welche um eine Längsachse 14 zwischen
einem Last- oder Tragteil 16 und einem äußeren Teil 18 angeordnet sind, wobei letzteres
eine Reihe von miteinander verbundenen Basiselementen für die daryestellten Lagerkissen
umfaßt. Alle Basiselemente sind relativ zueinander und zu dem feststehenden Lagergehäuse
fixiert (nicht dargestellt).
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Die Lagerkissen 10 und 12 umfassen jeweils einen beweglichen Vorderabschnitt
20, welcher mit dem ihm zugeordneten Basisabschnitt 18 über sphärisch gekrümmte
Grenzflächen 22, 24 verbunden ist. Ein Metall-Elastomer-Laminatmaterial 26, 28 ist
vorzugsweise mit beiden Grenzflächen 22, 24 der Schichten 26, 28 verbunden; dieses
Laminatmaterial 26, 28 ist weich in Scherrichtung (parallel zu den Flächen 22, 24)
jedoch starr in radialer, komprimierender Richtung (senkrecht zu den Flächen 22,
24). Die Schichten 28 bestehen vorzugsweise aus Gummi und die Schichten 26 bestehen
vorzugsweise aus Metall.
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Die Lagerflächen 19 des beweglichen Vorderabschnitts 20 jeder Lagergruppe
20 sind sphärisch ausgebildet und ihre Krümmungsmittelpunkte liegen auf einem gemeinsamen
Punkt 30 auf der
Längsachse 14. Das Krümmungszentrum der Grenzflächen
22, 24 liegt bei Schwingungszentren oder Punkten 32 auf Radien R1, welche sich von
der Achse 14 zu der Fläche 19 jedes Kissens erstrecken, vorzugsweise zu dem Mittelpunkt
der sich in ihrer Ruhelage befindenden Oberfläche 19. Der Schwingungspunkt 32 ist
stets zwischen der Achse 14 und den Oberflächen 19 angeordnet, vorzugsweise in der
Mitte der Radien R1, so daß z.B.
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die Grenzfläche 22, welche unter jedem vorderen Abschnitt 20 liegt,
stets mit einem Radius R2 gekrümmt ist, der kleiner als der Radius R1 ist. Die Laminatschichten
26 und 28 sind in gleicher Weise parallel zu den Grenzflächen 22 und 24 gekrümmt.
Die Punkte 32 der Kissen sind vorzugsweise äquidistant von der Achse 14. Die sphärisch
gekrümmte Grenzfläche unter den vorderen Abschnitten 20 ermöglicht das letztere
um den entsprechenden Schwingungszentren jedes Lagerkissens (um die Punkte 32) schwingen,
wenn sie Verschiebungskräften unterworfen werden, welche längs Sektoren wirken,
die nicht durch die Schwingungspunkte 32 verlaufen. Solche Verschiebungskräfte resultieren
von den Reibungskräften und den Lastkräften, welche auf die beweglichen vorderen
Abschnitte der Lagerkissen einwirken.
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Die zweite Gruppe von Lagerkissen 12, welche in der Zeichnung auf
Stoßverhältnis mit dem Kissensatz 10 dargestellt sind, ist ähnlich wie der Kissensatz
10 aufgebaut, wobei lediglich die vorderen Kissenabschnitte so um die Achse 14 orientiert
sind, daß ihre Oberflächen einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt 34 haben, welcher
in Richtung der Längsachse 14 einen Abstand zu dem Punkt 30 aufweist, wobei die
Radien R1 jedes Lagerkissensatzes konvergieren; d.h. die Radien R1 des Lagerkissensatzes
10 konvergieren zu den Radien R2 des Lagerkissensatzes 12.
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Andererseits sind die Relationen zwischen den Punkten 34, 32, R1 und
R2 für beide Lagerkissensätze 10 und 12 identisch. Die
Lagerflächen
10 jeder Gruppe sind somit relativ zu der Achse 14 so geneigt, daß sie voneinander
fort ausgerichtet sind, und die Unterstützungen 18 jeder Gruppe sind relativ zu
der anderen Gruppe fixiert.
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Ein Last- oder Tragteil 16 erstreckt sich etwa längs der Achse 14
und ist relativ zu den Lagerkissen drehbar. Ein Paar von sphärisch gekrümmten Segmenten
40, 41 ist mit dem Teil 16 verbunden, wobei die Segmente 40 und 41 Gleitlagerflächen
haben, welche relativ zu den gekrümmten Lagerkissenflächen 29 gleiten können. Die
Oberflächen der Segmente 40, 41 entsprechen in ihrer Krümmung den Lagerkissenoberflächen
29 (sie weisen Krümmungen um die Achse 14 auf, welche zwischen konischer und sphärischer
Krümmung liegt.).
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In Fig. 3 ist die Verwendung eines leicht modifizierten Laminats 26,
28 dargestellt, um zu zeigen, daß eine Mehrzahl gekrümmter Metallschichten 26 vorgesehen
sein kann und um die Lagerkissen im Detail zu zeigen.
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In Fig. 4 ist das Teil 16 mit zwei konisch gekrümmten Elementen 42,
44-dargestellt, welche in Gleitverbindung mit den konisch gekrümmten Oberflächen
der beweglichen Lagerkissenabschnitte 46 stehen, welche um Schwingungspunkte 32
schwingen können.
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Der Radius R2 in Fig. 4 entspricht dem Radius R2 in Fig. 1.
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Die Dimension R3 ist ein Radius, welcher sich senkrecht zu den konischen
Oberlächen der Vorderabschnitte 46 etwa von deren Zentren aus erstreckt, und sie
gehen durch einen gemeinsamen Punkt 30 auf der Achse 14. Der Punkt 32 liegt vorzugsweise
auf einem solchen Radius.
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In Fig. 5 ist das Wirkungsprinzip der Erfindung in radialem und im
Drehsinn dargestellt, wobei die Abmessungen der Laminatdicke und der Dicke des Schmiermittelspaltes
der besseren Anschaulichkeit
wegen übertrieben groß dargestellt
sind. Die Rotation des Teils 16 in Richtung des Pfeils erzeugt Reibungskräfte auf
den Flächen 29 der vorderen Abschnitte 20 der Lagerkissen 10 und 12 und bewirkt
dadurch, daß diese jeweils in Richtung auf die Bewegung der Oberfläche des Teils
41 relativ zur Oberfläche 19 der Lagerkissen schwingen. Die Schwingwirkung erzeugt
zwischen jedem Vorderabschnitt und dem Teil 16 einen keilförmigen Spalt , welcher
sich in Richtung der Schwingbewegung verjüngt und in welchen Schmiermittel, in welches
die Lagerkissen eingetaucht sind, aufgrund der Reibungskräfte zwischen dem Schmiermittel
und den beweglichen Flächen hineingezogen wird. Auf diese Weise wird zwischen den
beweglichen Lagerflächen ein Schmiermittelkeil erzeugt, welcher diese auseinanderhält
und eine Relativbewegung zwischen diesen Teilen mit extrem niedrigen Reibungskoeffizienten
ermöglicht. Die radialen und die axialen Belastungen des Lagers, welche bei den
Druckzentren jeder Lagerkissenfläche einwirken, gleichen die reibungsinduzierten
Schwingungsmomente aus, welche auf die Oberflächen einwirken, so daß die N'eigung
jeder Lagerkissenoberfläche sich für jede Kombination von Druck- und Reibkräften
in einer Gleichgewichtslage stabilisieren.
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Radiale und axiale Belastungen des Lagers bewirken, daß die Lagerkissenoberflächen
eine geneigte Gleichgewichtsposition einnehmen, welche stets die Erzeugung eines
die Last tragenden Schmiermittelkeils zwischen den relativ zueinander beweglichen
Flächen des Lagers zur Folge hat. Lastmomente, welche auf das Teil 16 oder von diesem
um radiale Querachsen ausgeübt werden, werden in ähnlicher Weise durch das Lager
aufgenommen, wie radiale und axiale Belastungen, da solche Lastmomente in ihre radialen
und in ihre axialen Komponenten zerlegt werden und die schwingenden Kissenelemente
auf solche Kräfte reagieren. Axiale Belastungen bewirken einfach, daß die beweglichen
Kissenabschnitte so schwingen, daß sie dazu neigen, den Druck auf den flüssigen
Film längs den Lagerflächen
parallel zur Drehachse auszugleichen.
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Verschiedene Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen sind
naheliegend. Es versteht sich auch, daß der Ausdruck "Last- oder Tragteil" keine
Alternative darstellt, sondern einen Ausdruck bildet, welcher sowohl das dargestellte
Teil 16 als auch äquivalente Teile umfaßt. Dieser Ausdruck steht für beliebige Teile,
welche bei irgendeiner Anwendung der Erfindung rotiert werden können, während das
Teil 18 drehfest gehalten wird; das Teil 16 könnte andererseits auch fixiert sein,
während das Teil 18 und die Lagerkissen um das Teil 16 rotieren und die Last tragen;
eines oder beide Teile 16 und 18 können auch mit verschiedenen Winkelgeschwindigkeiten
oder in verschiedenen Richtungen relativ zueinander rotieren. In allen Fällen könnte
die Last aus der Richtung der Lagerkissen oder aus der Richtung des Teils 16 kommen.
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Während das Teil 18 als ein einziges Element dargestellt ist, welches
zwei Sätze von Lagerkissen 10 und 12 trägt, könnte auch ein längs einer radialen
Ebene geteiltes Teil 18 verwendet werden, und beide Hälften könnten längs der Längsachse
14 in einem festen Abstand voneinander angeordnet sein. Auch andere Änderungen und
Modifikationen der beschriebenen Ausführungsformen fallen in den Schutzumfang der
Erfindung.
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