DE3628800A1 - Hydrostatisch gasgeschmierte gleitlagerung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine hydrostatisch gasgeschmierte Gleitlagerung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Gasgeschmierte Gleitlager werden vorzugsweise für die Lagerung hochtourig drehender Wellen bei verhältnismässig kleinen Querbelastungen verwendet. Als Schmiergas dient gewöhnlich Luft. Die Luft, die den Schmierfilm zwischen den Gleitflächen des Lagers und der Welle bildet, kann aus einer ausserhalb des Lagers befindlichen Druckluft­ quelle stammen, etwa aus einem Verdichter, wobei von einer hydrostatischen Luftschmierung gesprochen wird, oder es kann die schmierende Luft infolge ihrer Zähig­ keit entsprechend der hydrodynamischen Theorie der Lager­ schmierung einen trennenden Keilspalt zwischen Welle und Lagerschale bilden. Es handelt sich dann um hydro­ dynamisch gasgeschmierte Lager. Das vorliegende, erfin­ dungsgemässe Gleitlager gehört zur erstgenannten Gattung.

Stand der Technik

Prinzipiell hat die Gestaltung luftgeschmierter Lager bei beiden vorgenannten Gattungen sicherzustellen, dass das trennende Luftpolster zwischen Welle und Lager bei allen Betriebszuständen erhalten bleibt. Bei gleichblei­ bender Belastung der Welle ist dies kein Problem, wohl aber kann es bei stossartigen Belastungen, z.B. bei rauher Handhabung von Turbofräs- und -bohrwerkzeugen sowie ins­ besondere bei luftgelagerten Verdichterlaufrädern in Flugzeugklimaanlagen und luftgelagerten Kreiselgeräten durch Beschleunigungskräfte infolge Fluglageänderungen zu solchen Berührungen kommen, bei denen die Gleitflächen von Welle und Lagerschale wegen der extrem hohen Dreh­ zahlen beschädigt werden können.

Eine weitere Ursache solcher Beschädigungen stellen un­ wuchterregte Schwingungen dar, die nur innerhalb gewisser Amplituden vom Luftfilm absorbiert werden. Um solche schadensverursachenden grösseren Wellenverlagerungen zu vermeiden, wurde vorgeschlagen, beispielsweise in den GB-Patentschriften Nr. 10 18 300 und Nr. 11 46 422, die Lagerschalen und die Dichtelemente an den Stirnseiten beim Wellenaustritt in einer Hülse oder Büchse unterzu­ bringen, die ihrerseits unter Zwischenschaltung elasti­ scher Elemente, die die genannten Schwingungsamplituden dämpfen sollen, im Maschinenteil sitzen. In der letzt­ genannten Patentschrift werden als elastische Elemente die unter der Kurzbezeichnung O-Ringe bekannten Rund­ schnurringe vorgeschlagen, die in Ringnuten am äusse­ ren Umfang der besagten Büchse sitzen. Die Büchse selbst sitzt mit einem erheblichen Spiel in der Bohrung des sie aufnehmenden Maschinenteils, so dass den O-Ringen ein genügend grosser Dämpfungsweg zur Verfügung steht, um auch grössere Schwingungsausschläge aufnehmen zu können.

Massgebend für die Betriebskosten insbesondere grösserer Luftlager ist der Luftverbrauch, der von den Spaltver­ lusten an den Lagerstirnseiten abhängt. Um den Luftver­ brauch möglichst gering zu halten, versucht man, möglichst geringe Laufspiele zwischen Welle und Lagerschale zu verwirklichen, um ohne Berührungsdichtungen, die Rei­ bungsverluste zur Folge hätten, an den Lagerstirnseiten auszukommen. Gemäss dem obengesagten sind dem Laufspiel aber Grenzen gesetzt, so dass der Luftverbrauch auf diese Weise nicht beliebig klein gehalten werden kann. Als weitere Massnahme ist es aus der obenerwähnten Patent­ schrift GB-11 46 422 bekannt, an einem oder an beiden Wellenenden schmale Scheiben von im Verhältnis zur Welle grossem Durchmesser vorzusehen, die in Ringnuten des Lagerkörpers laufen und Labyrinthe bilden, die das seit­ liche Entweichen der Luft drosseln und dadurch den Luft­ verbrauch reduzieren.

Diese Lösung hat aber verhältnismässig grosse radiale Lagerdurchmesser zur Folge und erfordert daher einen grossen Einbauraum. Vor allem aber haben diese und andere bekannte Lösungen den Nachteil, dass eine zwangsweise axiale Stabilisierung nicht gewährleistet ist. Eine solche ist aber wichtig, wenn eine axiale Positionierung eines Läufers, eines Wellenbundes, Zahnrades oder dgl. unter Einhaltung sehr kleiner Toleranzen gefordert wird.

Darstellung der Erfindung

Mit der erfindungsgemässen hydrostatisch gasgeschmierten Gleitlagerung für einen rotierenden Maschinenteil sollen die vorgenannten Nachteile bekannter Gleitlager dieser Art vermieden werden. Durch doppeltkonische Wellenlauf­ flächen und Lagerlaufflächen werden lange Schmierspalt­ flächen und eine sehr präzise axiale Fixierung erhalten. Bei der erfindungsgemässen hydrostatisch gasgeschmierten Gleitlagerung für einen rotierenden Maschinenteil weist ein feststehendes Lager Lagergleitflächen mit Formele­ menten für die Bildung von Schmiergasfilmen und der ro­ tierende Maschinenteil glatte Laufflächen auf, ferner Mittel zur Zuführung eines Schmiergases in die von den Lagergleitflächen und den glatten Laufflächen des rotie­ renden Maschinenteiles begrenzten Lagerspalte und Mittel zur Änderung der Grösse der Lagerspalte zwecks deren Anpassung an vorgegebene Betriebsbedingungen sowie eine Druckgasquelle und ist dadurch gekennzeichnet, dass die Lagergleitflächen zwei symmetrisch zueinander angeord­ nete Kegelstumpfflächen sind, dass die Formelemente zur Bildung der Schmiergasfilme aus über den Umfang der Kegel­ stumpfflächen gleichmässig verteilt angeordneten Schmier­ gastaschen, in deren Mitte vorgesehenen Gaszuführbohrun­ gen und dazu koaxialen Ansenkungen bestehen, und dass die glatten Laufflächen des rotierenden Maschinenteiles Kegelstumpfflächen sind, die mit den Kegelstumpfflächen des feststehenden Lagers eine Laufpaarung bilden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf eine in den Zeichnungen dargestellte Ausführungsform näher beschrieben. In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1 einen axialen Längsschnitt durch die Lagerung eines rotierenden radförmigen Körpers, wobei das diesen Körper aufnehmende Gleitlager auf einer raumfesten Achse montiert ist, und die Fig. 2 und 3 Details dieser Lagerung.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Bei der in Fig. 1 dargestellten Lagerung handelt es sich um eine solche, bei der ein Rad, eine Scheibe, Rolle oder dgl. auf einer aus zwei Aussenkegelflächen bestehen­ den Lagergleitfläche drehbar gelagert ist. Dabei sind die die Lagergleitfläche aufnehmenden oder enthaltenden Elemente auf einer maschinenfest gelagerten Achse 1 starr gelagert. Im vorliegenden Falle sind diese Elemente im wesentlichen zwei Lagerkegel 2 gleicher Gestalt, die auf der Achse 1 festgespannt sind. Da dieser Achse neben ihrer Aufgabe als tragendes Element noch die Funktion der Schmierluftzufuhr zukommt und sie Elemente zur Be­ festigung und Verstellung der Lagerkegel aufnimmt, ist sie aus mehreren Teilen zusammengesetzt. Bei dem auf der Lagergleitfläche rotierenden Element handelt es sich um einen Radkörper 3, dessen äussere Partie, bei der es sich z.B. um einen Schaufelkranz, einen Kreisel oder dgl. handeln kann, nicht dargestellt ist. Die Nabenpartie des Radkörpers weist zwei von ihren Seitenflanken nach innen weisende Kegelstumpfbohrungen 4 auf, die in der Nabenmitte in eine kurze zylindrische Bohrung 5 einmünden.

Ein Lagerkegel 2 ist in Fig. 2 einzeln dargestellt. Seine Aussenkegelfläche 6 weist eine Anzahl über ihren Umfang gleichmässig verteilter Schmierfilmtaschen 7 auf, die im Betrieb durch Luftzuführbohrungen 8 mit Druckluft beschickt werden, die zwischen den Aussenkegelflächen 6 und den Kegelstumpfbohrungen 4 einen Schmierluftfilm bildet, der die Aussenkegelflächen 6 von den Kegelstumpf­ bohrungen 4 trennt. Im unteren Teil der Fig. 1 sind die Schmierluftfilme voll schwarz herausgehoben. Die Boh­ rungen 8 münden vor den Schmierfilmtaschen 7 in zylindri­ sche Ansenkungen 9 ein.

An den kegelstumpfförmigen Teil der Lagerkegel 2 mit den Aussenkegelflächen 6 schliesst sich ein Kreisring­ zylinder 10 mit einer Anfasung 11 im Inneren seines freien Endes an, siehe Fig. 2. Der kegelstumpfförmige Teil des Lagerkegels 2 weist eine zylindrische Bohrung 12 mit einer Ringnut 13 zur Aufnahme eines Dichtringes 14 auf. Letzterer ist vorzugsweise ein Rundschnurring.

Aus Fig. 1 gehen die Elemente für die Befestigung und Justierung der Lagerkegel 2 auf der Achse 1 und für die Zuführung der Schmierluft zu den Lagerstellen hervor. Da zur genauen Einstellung des Lagerspiels eine gegen­ seitige axiale Justierung der beiden Lagerkegel 2 möglich sein muss, ist die Achse 1 zweiteilig ausgeführt. Die beiden Achshälften 1 a und 1 b sind zueinander zentriert und gegeneinander längsverschieblich. Zu diesem Zweck weist die rechte Achshälfte 1 a an ihrem linken Ende einen Zentrierzapfen 15 auf, der von einer Zentrierbohrung 16 der linken Achshälfte 1 b aufgenommen wird. Zur gegen­ seitigen Verschieblichkeit der beiden Achshälften ist das linke Ende der rechten Achshälfte 1 a als Gewinde­ zapfen 17 ausgebildet, auf dem eine Gewindehülse 18 ver­ schraubbar ist. Diese Gewindehülse ist an ihrem linken Ende verdickt und dort mit einem Aussengewinde 19 ver­ sehen, mit dem sie in einem entsprechenden Innengewinde 20 in einer Bohrung der linken Achshälfte 1 b verschraub­ bar ist. Diese ist an ihrem linken Ende auch mit einem Aussengewinde 21 für eine Ringmutter 23 versehen, die dazu dient, den linken Lagerkegel 2 über einen Druckring 24 gegen einen Bund 25 b am rechten Ende der linken Achs­ hälfte 1 b zu verspannen. In gleicher Weise ist der rechte Lagerkegel 2 durch die rechte Ringmutter 23 gegen einen Bund 25 a am linken Ende der Achshälfte 1 a verspannt.

Das linke, freie Ende der Achshälfte 1 b ist mit seinem Aussengewinde 21 in einer glatten Bohrung einer Achs­ stütze 22 gelagert, wodurch sich die Achse 1, deren rechte Hälfte 1 a, wie unten beschrieben, in einer zweiten Achs­ stütze 30 axial fixiert ist, nach links axial frei aus­ dehnen kann. Zur Fixierung der Achse 1 in der rechten Achsstütze 30 dient ein Gewindering 31, der die rechte Stirnseite der Ringmutter 23 gegen die linke Flanke der Achsstütze 30 presst. Am linken Ende der linken Achs­ stütze 22 kann für das Aussengewinde 21 der linken Achs­ hälfte 1 b ebenfalls ein gleicher, nicht dargestellter, Gewindering vorgesehen sein, um eine starre Achslagerung zu erhalten.

Im linken Druckring 24 sind, ebenso wie in dem auf der rechten Achshälfte 1 a sitzenden, mit gleicher Bezugs­ zahl versehenen Druckring, ein innerer und ein äusserer Dichtring 26 bzw. 27 vorgesehen, wodurch in Verbindung mit dem früher genannten Dichtring 14 innerhalb des kege­ ligen Teiles der Lagerkegel 2 ein Luftverteilkanal 28 gegen die Atmosphäre abgedichtet wird. Zwischen den bei­ den Bunden 25 a und 25 b ist ein schmaler axialer Ring­ spalt einzuhalten, um sicherzustellen, dass die Lager­ spalteinstellung nach unten gegen die kleinsten Werte nicht blockiert wird.

In der rechten Achshälfte 1 a erstreckt sich ein mit einer nicht dargestellten Druckluftquelle in leitender Verbin­ dung stehender Luftzuführkanal 32 nach links bis in den Bereich des linken Lagerkegels 2. Dort stellen minde­ stens eine schräge Verbindungsbohrung 33 in der rechten Achshälfte 1 a und mindestens eine in der Achshälfte 1 b rechtwinklig zu derselben liegende Verbindungsbohrung 34 eine leitende Verbindung zwischen dem Luftzuführkanal 32 und dem Luftverteilkanal 28 her. Aus diesem gelangt die Druckluft über die kapillaren Luftzuführbohrungen 8, die Ansenkungen 9 und die Schmierfilmtaschen 7 auf dem linken Lagerkegel 2 in den Lagerspalt zwischen der Aussenkegel­ fläche 6 des Lagerkegels und der als Lagergleitfläche des Radkörpers 3 dienenden Kegelstumpfbohrung 4, wo sie den trennenden Schmierluftfilm bildet. In den Luftver­ teilkanal 28 des rechten Lagerkegels 2 gelangt die Druck­ luft aus dem Luftzuführkanal 32 direkt über mindestens eine in der Achshälfte 1 a rechtwinklig zu dieser liegende Verbindungsbohrung 35 und weiter in gleicher Weise wie auf der linken Seite in den rechten Lagerspalt zur Bil­ dung eines Schmierluftfilms. Die Strömungspfeile zeigen den Verlauf der Zuströmung der Druckluft an die Lager­ stellen.

Bei einem praktisch ausgeführten Lager dieser Art sind die Schmierlufttaschen ca. 0,15 mm tief und die kapilla­ ren Luftzuführbohrungen 8 haben einen Durchmesser von 0,4 mm. In den Ansenkungen 9 findet im Mündungsbereich der Bohrungen 8 eine Überschallexpansion statt, der Austritt der Luft aus den Schmierlufttaschen in den La­ gerspalt erfolgt sonisch über einen Drosselspalt von ca. 0,03 mm. Bei einer Breite des Lagers von 20 mm be­ trägt der Luftverbrauch nur ca. 1 l/s bei der hohen Trag­ kraft von 10 kp in axialer und von 4 kp in radialer Rich­ tung. Auch bei schwachem Überdruck ohne sonische Drosse­ lung von z.B. 200 mbar ist das Lager bereits stabil, wobei schon eine radiale Belastung von 300 p aufgenommen wird.

Durch Änderung der Abstände zwischen den beiden Lager­ kegeln 2 durch die oben beschriebenen Verstellmittel, nämlich die Gewindehülse 18 im Zusammenwirken mit dem Gewindezapfen 17, können die Lagerspalte und die Drossel­ spalte nach den Schmierlufttaschen verändert und damit die Empfindlichkeit und Tragkraft des Lagers dem jewei­ ligen Anwendungsfall angepasst werden. Um beim Verschrau­ ben der Gewindehülse 18 der linken Achshälfte 1 b auf dem Gewindezapfen 17 der rechten Achshälfte 1 a ein Ver­ drehen der beiden Achshälften gegeneinander zu verhin­ dern, weist die rechte Achshälfte 1 a zwischen dem Zen­ trierzapfen 15 und dem Gewindezapfen 17 einen Führungs­ zapfen 36 mit einer Führungsnut 37 auf, in die ein in einer Bohrung 38 der linken Achshälfte 1 b festsitzender Führungsstift 39 eingreift.

Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel läuft ein radförmi­ ger Maschinenteil auf einer feststehenden Achse. Das gleiche Prinzip ist aber ohne grundsätzliche Änderung auch auf die Lagerung einer Welle in einer oder mehreren Lagern anwendbar. Abgesehen von den Verstellmöglichkeiten für den Lagerspalt besteht der Unterschied darin, dass die Druckluftzufuhr über die Lager zu erfolgen hat und die Schmierlufttaschen 7, die Ansenkungen 9 in denselben und die kapillaren Luftzuführbohrungen 8 in zwei den Kegelstumpfbohrungen 4 des Radkörpers 3 entsprechenden Lagerlaufflächen vorzusehen sind. Die Anpassung des La­ gerspaltes kann entweder durch axiales Verstellen der auf der Welle sitzenden Lagerkegel oder durch axiale Verstellung der Lagerelemente mit den Kegelstumpfbohrun­ gen bewerkstelligt werden.

Die Änderung der Lagerspalte kann nicht nur durch Ver­ schrauben der Gewindehülse 18 auf dem Gewindezapfen 17 erfolgen, sondern auch durch Distanzscheiben, die ent­ weder im Spalt zwischen den Bunden 25 a und 25 b der bei­ den Achshälften 1 a und 1 b oder auch zwischen einem oder beiden der an den genannten Bunden anliegenden ringför­ migen Stirnflächen der beiden Lagerkegel 2 eingelegt werden.

Claims (3)

1. Hydrostatisch gasgeschmierte Gleitlagerung eines ro­ tierenden Maschinenteiles, wobei ein feststehendes Lager Lagergleitflächen mit Formelementen für die Bildung von Schmiergasfilmen und der rotierende Ma­ schinenteil glatte Laufflächen aufweist, mit Mitteln zur Zuführung eines Schmiergases in die von den Lager­ gleitflächen und den glatten Laufflächen des rotie­ renden Maschinenteiles begrenzten Lagerspalte mit Mitteln zur Änderung der Grösse der Lagerspalte zwecks deren Anpassung an vorgegebene Betriebsbedingungen sowie mit einer Druckgasquelle, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagergleitflächen zwei symmetrisch zueinander angeordnete Kegelstumpfflächen (6) sind, dass die Formelemente zur Bildung der Schmiergasfilme aus über den Umfang der Kegelstumpfflächen (6) gleichmässig verteilt angeordneten Schmiergastaschen (7), in deren Mitte vorgesehenen Gaszuführbohrungen (8) und dazu koaxialen Ansenkungen (9) bestehen, und dass die glatten Laufflächen des rotierenden Maschinenteiles (3) Kegel­ stumpfflächen (4) sind, die mit den Kegelstumpfflächen (6) des feststehenden Lagers eine Laufpaarung bilden.

2. Gleitlagerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsmittellinien der Schmiergastaschen (7) auf Mantellinien ihrer Kegelstumpfflächen (6) liegen, dass die Gaszuführbohrungen (8) und die Ansenkungen (9) im Mittelpunkt der Schmiergastaschen (7) vorge­ sehen sind, dass die Mittel zur Zuführung des Schmier­ gases aus der Druckgasquelle in die Lagerspalte aus einem Gaszuführkanal (32) und damit kommunizierenden Gasverteilkanälen (28) bestehen, die in leitender Verbindung mit den Gaszuführbohrungen (8) stehen, und dass die Mittel zur Änderung der Grösse der La­ gerspalte aus Schraubmitteln bestehen, die es ermög­ lichen, die axiale Distanz der Lagerteile (2), an denen die als Lagergleitflächen dienenden Kegelstumpf­ flächen (6) vorhanden sind, zu verändern.

3. Gleitlagerung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Lager auf einer maschinenfesten zweiteiligen Achse (1) befestigt ist, deren zwei Achshälften (1 a, 1 b) durch einen Zentrier­ zapfen (15) in der einen Achshälfte (1 a) und eine Zentrierbohrung (16) der zweiten Achshälfte (1 b) fluch­ tend gegeneinander zentriert und durch einen Gewinde­ zapfen (17) auf der einen Achshälfte (1 a) und eine in der zweiten Achshälfte (1 b) geführte Gewindehülse (18) axial gegeneinander verspannt sind, wobei die Lagergleitflächen von auf zwei Lagerkegeln (2) befind­ lichen Aussenkegelflächen (6) gebildet sind, welche Lagerkegel (2) auf der Achse (1) befestigt sind, dass der rotierende Maschinenteil ein Radkörper (3) ist, dessen mit den Lagergleitflächen zusammenwirkende Laufflächen aus zwei Kegelstumpfbohrungen (4) bestehen, dass die Druckgasquelle ein Drucklufterzeuger ist, dass der Luftzuführkanal (32) in der Achse (1) vor­ gesehen ist, dass die Luftverteilkanäle (28) inner­ halb der Lagerkegel (2) vorgesehen und von gegenüber der Achse (1) abgedichteten Druckringen (24) gegen die Atmosphäre abgeschlossen sind, dass die Lager­ kegel (2) durch Ringmuttern (23) über die Druckringe (24) gegen je einen Bund (25 a, 25 b) der beiden Achs­ hälften (1 a, 1 b) verspannt sind, und dass die Mittel zur Änderung der Lagerspalte aus dem erwähnten Ge­ windezapfen (17) der einen Achshälfte (1 a) und der darauf verschraubbaren, in der zweiten Achshälfte (1b) geführten Gewindehülse (18) sowie aus einer Füh­ rungsnut (37) in einem Führungszapfen (36) der einen Achshälfte (1 a) und einem in der zweiten Achshälfte (1 b) sitzenden und in die Führungsnut (37) eingreifenden Füh­ rungsstift (39) bestehen.