DE3739053A1 - Hydrostatisches gleitlager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein hydrostatisches Gleitlager nach dem Oberbegriff des Anspruch 1. Dabei bezieht sich die Erfindung insbesondere auf die Aufrechterhaltung des durch die Relativdrehung erzeugten Druckmittelkeils zwischen dem Lager und der darin gelagerten Welle.

Die Erzeugung und Aufrechterhaltung eines bogenförmigen und beständigen Druckmittelkeils zwischen dem Lager und der umlaufenden Welle ist im Hinblick auf die Tragfähigkeit und die Lebensdauer des Lagers kritisch.

Aus der GB-PS 15 62 511 ist ein hydrostatisches Gleit­ lager bekannt, das versucht, den obigen Anforderungen gerecht zu werden. Es weist eine Lageranordnung mit zwei relativ zu­ einander umlaufenden Elementen und auf einem Druckmittelfilm gegenseitig abgestützen Komponenten auf, wobei der Druck­ mittelfilm infolge der Reaktivbewegung zwischen einer Lager­ fläche der einen Komponente und Lagerflächen auf einer Anzahl elastischer Schalen der anderen Komponente gebildet wird. Die Schalen sind jeweils an Stellen entlang ihrer Länge zwischen den Komponenten abgestützt, wobei jede der elastischen Schalen eine Dicke hat, die mit Bezug auf ihre andere Dimension so gewählt ist, daß eine örtliche Ausbiegung der Schale an nicht abgestützten Stellen infolge eines Druck­ anstiegs in dem Druckmittelfilm verhindert wird, und wobei Lastaufnahmeteile zwischen jeder Schale und der betreffenden Komponente montiert sind, auf welchem die Schalen angeordnet sind, von denen die Lastaufnahmeteile bei einem Druckan­ stieg im Druckmittelfilm an zwei Stellen einer Schale Reaktionskräfte erzeugen, und zwar auf entgegengesetzten Seiten der Resultierenden des Druckes im Druckmittelfilm, um die Schale nach Art eines steifen Balkens auszubiegen und die Schalenform derart zu verändern, daß die Lager­ flächen der Schale im Bereich minimaler Druckmittelfilm­ dicke besser der Lagerfläche der genannten einen Komponente entspricht.

Das oben beschriebene Lager ist für den Einsatz mit einer umlaufenden Welle vorgesehen, um eine hydrostatische Lageranordnung zu bilden, bei welchem die Lagerung vorzugs­ weise durch Positionieren der Lastaufnahmeteile zwischen den Schalen und dem Gehäuse in einer solchen Art und Weise bewerkstelligt wird, daß ein gewählter Teil des Druckmittel- Lastdruckes im Bereich der Hinterkante jeder Schale aufge­ nommen und die übrige Radiallast in einer Zwischenposition zwischen den Enden jeder Schale aufgenommen wird. Diese Reaktionen zwischen den Schalen und den Lastaufnahmeteilen in Verbindung mit dem Druckmittel-Lastdruck bewirken eine Biegeverformung der Schalen, welche die Schalenform derart verändert, daß sie im Bereich der minimalen Spaltdicke in noch engerem Maße der Form der Oberfläche des gelagerten Bauteils (Welle) entspricht und so über einen größeren Längenabschnitt der Schale eine gleichmäßigere Spaltdicke erzeugt wird.

Die Schalen des oben erläuterten Lagers können die gewünschte Form im Bereich der minimalen Spaltdicke jedoch nur näherungsweise erreichen, wie in Fig. 4 dargestellt ist, und infolgedessen ist die Belastbarkeit des Lagers stark beeinträchtigt.

Außerdem weist das oben beschriebene Lager eine kompli­ zierte Konstruktion auf und zeigt Verschleiß, der an den Schalen/Feder-Grenzflächen und den Schalen/Schalen-Grenz­ flächen stattfindet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hydro­ statisches Lager zu schaffen, bei welchem die oben erläu­ terten Nachteile weitgehend verringert oder möglicherweise sogar vollständig beseitigt sind.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch das im Anspruch 1 gekennzeichnete hydrostatische Gleitlager gelöst.

Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben, in denen zeigt:

Fig. 1 ein hydrostatisches Lager der in der GB-PS 15 62 511 beschriebenen Art, das allgemein als anpassungs­ fähiges Schalenlager bekannt ist,

Fig. 2 ein als Luftlager ausgebildetes hydrostatisches Lager nach der Erfindung,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung einer Schale des Lagers nach Fig. 2,

Fig. 4 eine graphische Darstellung des Druckmittelspaltprofils eines an­ passungsfähigen hydrostatischen Schalenlagers,

Fig. 5 eine graphische Darstellung des Druckmittelspaltprofils für ein profiliertes Schalengaslager nach der Erfindung,

Fig. 6 eine graphische Darstellung des Druckmittelspaltprofils eines profilierten Schalengaslagers, das im optimierten Zustand betrieben wird,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Druckverteilung bei dem profilierten Schalengaslager im optimierten Zu­ stand, und

Fig. 8 eine vergleichende graphische Dar­ stellung der Lagerbelastbarkeiten.

In Fig. 2 ist in schematischer Darstellung eine hydro­ statische Lageranordnung 8 dargestellt, bei welcher eine Welle 10 drehbar mittels eines Druckmittelfilms in einem Lagergehäuse 12 gelagert ist, der sich im Betrieb zwischen der Oberfläche der Welle 10 a und der Oberfläche 14 a einer oder mehrerer starrer Schalen 14 bildet. Jede Schale 14 weist eine Vorderkante 14 b und eine Hinterkante 14 c auf. Vorzugsweise ist die Schale 14 in zwei Abschnitte unter­ teilt, nämlich einen sich zum stromaufwärtigen Ende hin erstreckenden ersten Teil 14 e, der mit einem konischen Profil versehen ist, so daß der Spalt 16 sich zu einem zweiten Abschnitt 14 f hin allmählich verringert, der sich zum stromabwärtigen Ende erstreckt und so gestaltet ist, daß ein Spalt 16 im wesentlichen gleichbleibender Dicke aufrechterhalten wird.

Aus Fig. 3 geht hervor, daß der konisch profilierte Abschnitt durch Einschleifen eines kreisförmigen Profils mit einem Radius R von einem Mittelpunkt hergestellt werden kann, der (bezogen auf den Schalenverlauf) um Beträge X bzw. Y vorderhalb und radial auswärts der Wellenachse 18 liegt. Das Profil des zweiten Abschnitts 14 f kann durch Schleifen eines kreisförmigen Profils mit einem Radius R von der Wellenachse 18 aus hergestellt werden. Jede Schale 14 ist mit einem Ansatz 24 an ihrem vorderen Ende 14 b und einem Ausschnitt 26 an ihrem hinteren Ende 14 c ausgestattet. So­ wohl der Ansatz 24 als auch der Ausschnitt 26 haben radial verlaufende Kantenflächen 28, 30 und umfangsmäßig verlaufende Kantenflächen 32, 34.

Die Schalen 14 sind derart zusammengesetzt, daß die radiale Kantenfläche 28 und die umfangsmäßige Kantenfläche 32 am vorderen Ende 14 b mit der radialen Kantenfläche 30 und der umfangsmäßigen Kantenfläche 34 am hinteren Ende (14 c) der nächstbenachbarten Schale 14 zusammenwirken. Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß der Ansatz 24 und der Ausschnitt 26 so bemessen sein können, daß die Kantenflächen 28 und 30 derart miteinander zusammenwirken, daß beim Zusammensetzen der Schalen ein radiales Einwärtsbewegen derselben über einen bestimmten Punkt hinaus verhindert wird. Es ist außer­ dem ersichtlich, daß die Schalen 14 radial auswärts in begrenztem Maße frei beweglich sind, indem sie im Bereich ihrer umfangsmäßig verlaufenden Kantenflächen 32, 34 auf­ einander gleiten können. Die radiale Auswärtsbewegung wird dabei durch die Rückhaltewirkung eines elastischen Bandes 20 begrenzt, das um den Außenumfang der Schalen 14 herumver­ läuft. Die Schalen 14 sind im Gehäuse 22 durch ein weiteres elastisches Element positioniert, das in Fig. 2 in Form einer Bürstendichtung 21 dargestellt ist. Die Bürstendich­ tung 21 läßt die Schalen in begrenztem Maße "schwimmen", so daß sie sich irgendwelchen Bewegungen der Welle 10 an­ passen können, während sie die Welle immer noch abstützen.

Im Betrieb wird beim Umlauf der Welle in Richtung des Pfeiles D Druckmittel in den sich verjüngenden Spalt 16 hineingezogen, und mit wachsender Drehzahl nimmt der Druck des Druckmittelfilms immer weiter zu, bis er die Schalen entgegen der Wirkung des elastischen Rückhalteelements 20 von der Welle 10 weg abhebt und die Welle 10 dann vollständig auf den Druckmittelfilm abgestützt wird.

Es leuchtet ein, daß wegen der Wirkungen der Fliehkraft und der Temperatur sowohl auf die Welle 10 als auch auf die vergleichsweise starren Schalen 14 ein konstantes Spalt­ profil zwischen diesen Komponenten nur für ganz bestimmte Betriebsbedingungen erhältlich ist. Diese Bedingungen konnen natürlich so gewählt werden, daß es diejenigen sind, unter welchen das Lager 8 am häufigsten betrieben wird und bei welchem die Lagerbelastbarkeit am kritischten ist.

In Fig. 5 ist der Luftspalt für die vier Hauptbetriebs­ bedingungen einer Schale gezeigt, die für einen Betrieb bei der 2,5-Minuten-Zufälligkeitsdrehzahl optimiert ist. Es ist ersichtlich, daß der Spalt (am besten in Fig. 6 sichtbar) über die Länge des zweiten Abschnitts der Schale 14 bei dem optimierten Zustand konstant bleibt und daß der Spalt zu einer Vergrößerung an beiden Enden des zweiten Abschnitts 14 f tendiert, wenn die Drehzahl der Welle 10 auf die Bodenleerlaufdrehzahl abnimmt.

Anhand von Fig. 8, welche die Lagertragfähigkeit über einen Bereich von Betriebsdrehzahlen zeigt, ist ersicht­ lich, daß das profilierte Schalendruckmittellager 8, das für die 2,5-Minuten-Zufälligkeitsbetriebsbedingung opti­ miert ist, eine im Vergleich zu einer antastbaren Schale beträchtlich größere Belastbarkeit für die anfänglicheren Drehzahlen oberhalb 38000 U/min aufweist. Es ist auch er­ sichtlich, daß die abtastbare Schale eine geringfügig bessere Belastbarkeit bei weniger kritischen Drehzahlen aufweist, d. h. unterhalb 38000 U/min.

Claims (7)

1. Hydrostatisches Gleitlager mit zwei relativ zuein­ ander umlaufenden und auf einem Druckmittelfilm gegenseitig abgestützten Komponenten, von denen die eine Komponente eine Anzahl starrer Schalen (14) mit einer stromaufwärtigen Kante (14 b), einer stromabwärtigen Kante (14 c) und einer der anderen Komponente (10) zugewandten Lagerfläche (14 a) aufweist, wobei jede Schale (14) in zwei Abschnitte (14 e, 14 f) gegliedert ist, von denen der erste Abschnitt (14 e) zur stromaufwärtigen Kante (14 b) und der zweiten Ab­ schnitt (14 f) zur stromabwärtigen Kante (14 c) verläuft und wobei die Lagerfläche (14 a) im Bereich des ersten Ab­ schnitts (14 a) so profiliert ist, daß der zwischen ihr und der anderen Komponente (10) gebildete Spalt (16) eine sich zur stromabwärtigen Kante der Schale (14 c) hin verringernde Dicke hat, und wobei die Lagerfläche im Bereich ihres zweiten Abschnitts (14 f) so profiliert ist, daß der zwischen ihr und der anderen Komponente (10) gebildete Spalt (16) eine im wesentlichen konstante Dicke hat.

2. Gleitlager nach Anspruch 1, bei welchem die andere Komponente (10) eine Welle mit Kreisquerschnitt ist und die Schalen (14) in Umfangrichtung um die Welle (10) herum­ verlaufen.

3. Gleitlager nach Anspruch 1, bei welchem jede Schale (14) mit einem Vorderkantenprofil (24) und einem Hinterkanten­ profil (26) versehen ist und das Vorderkantenprofil (24) einer Schale mit dem Hinterkantenprofil (26) der nächstfolgenden Schale (14) so zusammenwirkt, daß eine radiale Einwärts­ bewegung der Schalen (14) über ein bestimmtes Maß hinaus verhindert, eine radiale Auswärtsbewegung jedoch zugelassen wird.

4. Gleitlager nach Anspruch 1, bei welchem jede Schale (14) an ihrem vorderen Ende (14 b) einen Vorsprung (24) mit einer radial verlaufenden Kantenfläche (28) und einer in Umfangsrichtung verlaufenden Kantenfläche (32) und an ihrem hinterem Ende (14 c) eine Ausschnitt (26) mit einer radial verlaufenden Kantenfläche (30) und einer in Umfangs­ richtung verlaufenden Kantenfläche (34) aufweist.

5. Gleitlager nach Anspruch 4, bei welchem die radial verlaufenden Kantenflächen (28, 30) am vorderen Ende (14 b) und am hinteren Ende (14 c) so miteinander zusammenwirken, daß sie ein radiales Einwärtsverschieben der Schalen (14) über ein bestimmes Maß hinaus verhindern.

6. Gleitlager nach Anspruch 4, bei welchem eine radiale Auswärtsbewegung der Schalen (14) dadurch ermöglicht wird, daß sich in Umfangsrichtung einander anschließende Schalen im Bereich ihrer in Umfangsrichtung verlaufenden Kanten­ flächen (32, 34) aufeinander in Umfangsrichtung gleiten können.

7. Gleitlager nach Anspruch 3, bei welchem die radiale Auswärtsbewegung der Schalen (14) durch ein elastisches Rück­ halteorgan (21) begrenzt wird.