DE3903685A1 - Reibungsfreie lagerung eines drehbaren teils - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer reibungsfreien Lagerung eines drehbaren Teils nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Reibungsfreie oder mindestens weitgehend reibungsfreie Lagerungen haben für viele technische Systeme eine er­ hebliche Bedeutung, insbesondere im Bereich der Meß­ technik, wo es darauf ankommt, noch durch sehr schwache Kräfte erzeugte Verdrehbewegungen hochgenau und mög­ lichst ohne aus dem System heraus resultierende Rück­ stellkräfte zu erfassen und auszuwerten. Es handelt sich hier insbesondere um solche Drehbewegungen, die weniger als einen Vollkreis umfassen, obwohl auch eine Vielzahl von Anwendungsgebieten in Frage kommen, wo mög­ lichst reibungsfrei, aber gedämpft ablaufende Bewegungen ausgewertet werden müssen, die aus Drehwinkeln von mehr als 360° herrühren.

Allgemeine Anwendungsgebiete für solche reibungsfreien Lagerungen sind beispielsweise die Pendellagerung für optische Sensoren, für Neigungsgeber, sogenannte Inklino­ meter, elektronische Wasserwaagen, die Lagerung für Zeigerinstrumente u.dgl., also überall dort wo eine Drehbewegung hochgenau in eine vorgegebene Endlage überführt werden muß, ohne daß hierbei Drehmomente über­ wunden werden müssen, die hauptsächlich auf Lagerrei­ bung zurückzuführen sind. Dabei ist es sehr häufig er­ forderlich, solche Bewegungen gleichzeitig zu dämpfen, und zwar gerade dann, wenn die Lagerung reibungsfrei oder praktisch reibungsfrei ist, da von dieser dann keine Dämpfungswirkungen erwartet werden können.

Es sind schon eine Vielzahl von Techniken bekannt, um solche Lagerungen zu realisieren, beispielsweise die Auswahl besonders reibungsfreier Kugellager, wobei die Dämpfung dann über kräftige Magnete unter Ausnutzung von induzierten Wirbelströmen (Wirbelstromdämpfung) er­ folgen kann.

Es ist auch bekannt, eine Pendellagerung beispielsweise für optische Sensoren insofern lagerfrei auszubilden, als der Pendel selbst ein Federstab ist. In diesem Fall sind jedoch nur sehr kleine Auslenkungen möglich, da sich mit der Auslenkung eine Federrückstellkraft auf­ baut; außerdem weist ein solcher Federstab innere Dämpfungseigenschaften auf.

Für sich gesehen ebenfalls schon bekannt ist die Reali­ sierung sogenannter Magnetlager, bei denen die Wirkung von gleichnamigen und sich daher voneinander abstoßen­ den Polen ausgenutzt wird.

Die folgende Erläuterung der Erfindung bezieht sich speziell auf eine Pendellagerung für einen optischen Sensor, bei dem beispielsweise ein Spiegel einen auf ein optoelektronisches Element fallenden Lichtstrahl entsprechend ablenkt. Die Auswertung der Auslenkung des Pendels erfolgt dann elektronisch, so daß sich jeden­ falls in diesem elektronischen Bereich keine Tempera­ turprobleme ergeben können, da hierfür gängige und zu­ friedenstellend arbeitende Kompensationen möglich sind.

Problematisch ist aber bei allen solchen Lagerungen der Temperaturgang im mechanischen Bereich, der nur schwer beherrscht werden kann und insbesondere bei Federstab­ pendeln nachteilig sein kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine reibungs­ freie Lagerung für ein drehbares Teil zu schaffen, wel­ ches mit hoher und höchster Genauigkeit bei völliger rei­ bungsfreiheit Drehbewegungen auswerten kann und beson­ ders platzsparend gleichzeitig eine besonders wirkungs­ volle Dämpfung ermöglicht.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs und hat den Vorteil, daß sich durch die Kombination einer Magnetlagerung mit einer magnetischen Dämpfung ein insofern synergistischer Effekt ergibt, als bei Auswahl von jeweils einen ein­ heitlichen, also vollständigen Magneten mit Nord- und Südpol für jeden Lagerungspunkt der Pendelachse jeweils ein freier und daher nicht belegter Südpol und Nordpol ergeben, die dann gleichzeitig zu Dämpfungszwecken durch Induzierung von Wirbelströmen im Pendelbereich aus­ genutzt werden können.

Ein solches Grundsystem, welches die magnetische Dämp­ fung mit einer magnetischen Lagerung integriert, ist völlig reibungsfrei und auch in seinem mechanischen Temperaturverhalten problemlos, wobei der Aufbau auf kleinstem Raum gelingt, denn die für die Lagerung der Achse herangezogenen Mag­ nete übernehmen gleichzeitig die Dämpfungsaufgabe für das achsgelagerte System.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der Erfindung möglich. Besonders vorteilhaft ist die Ausbildung jedes der beiden Magnete als Hufeisenmagnet von allgemeiner U-Form, so daß für die Magnetlagerung eine Nord-Südpolpaarung und für die Dämfpung eine Süd- Nordpolpaarung der sich mit ihren jeweiligen Pol­ flächen gegenüberliegenden Magneten möglich ist.

Die in den jeweiligen Polfassungen (beispielsweise Boh­ rungen) aufgenommenen Enden der Stabmagnet-Achse sitzen in diesen Bohrungen vollkommen reibungsfrei, da allsei­ tig im Abstand durch die magnetische Abstoßung gehalten; dabei setzt sich ein von dieser Achse ausgehendes Teil, welches auch einstückiges Teil des Pendels selbst sein kann, bis in den Bereich des anderen Magnetfelds fort, welches sich durch die Luft aufgrund der aufeinander ausgerichteten restlichen beiden Magnetpole der Huf­ eisen-Magnete aufbaut. Dort induziert dann dieses Mag­ netfeld entsprechende Wirbelströme in einem entsprechen­ den Material des Pendels bzw. des dortigen Pendelteils, welches eine Scheibe, eine Kupferfahne, ein (Teil)kreis­ bogen o. dgl. sein kann und dämpft hierdurch gleichzeitig die Pendelbewegung geschwindigkeitsabhängig.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 stark schematisiert eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen reibungsfreien Pendellagerung mit integrierter Dämpfung und

Fig. 2 eine Ansicht hauptsächlich der Pendelerstreckung längs der Linie II-II der Fig. 1.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Der Grundgedanke vorliegender Erfindung besteht darin, in einer Kombination die von einer Magnetlagerung für eine Achse herrührenden, jeweils freien, ungleichnamigen Magnetpole zu einer weiteren Paarung zusammenzustellen und in einem durch die körperliche Erstreckung der ver­ wendeten Magnete vorgegebenen Abstand ein Luftmagnetfeld aufzubauen, in welches sich dann ein Teil des Pendels selbst bzw. eine Pendelfahne erstreckt und so ausgebildet ist, daß sich hierdurch gleichzeitig eine in der üblichen Weise geschwindigkeitsgedämpfte Wirbelstrombremsdämpfung ergibt.

Die beiden jeweils die Lagerschalen links und rechts für die Pendellagerung bildenden Hufeisenmagnete sind mit 10 a und 10 b bezeichnet; sie bilden mit einem dreh­ baren Teil 11 eine reibungsfreie Lagerung, speziell eine Pendellagerung mit gleichzeitiger Dämpfung.

Das drehbare Teil umfaßt eine Achse 12 und eine von die­ ser Achse 12 ausgehende, eine im Grunde beliebige körper­ liche Erstreckung aufweisende Verlängerung 13, die als Pendel bezeichnet werden kann. Die Achse 12 lagert das Pendel 13 beispielsweise mittig, so daß sich symmetrische Belastungen der beiden Lagerschalen 14 a, 14 b für die Achse 12 ergeben.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeder Magnet 10 a, 10 b so ausgebildet daß er über einen Basis­ steg 15 a und über zwei an diesen senkrecht angesetzte kürzere Querstege 15 b, 15 b′ verfügt. Die Pendelachse 12 ist in Form eines Stabmagneten ausgebildet, so daß sich an deren Enden im Bereich der Fassungen 14 a, 14 b jeweils ein Nord- bzw. ein Südpol bilden. Die Fassungen sind ge­ bildet von die Magnetstabenden aufnehmenden Bohrungen 16 in den in der Zeichenebene der Fig. 1 oberen kürzeren Querschenkeln 15 b der beiden Magnete - Bezugszeichen sind lediglich am linken Magneten 10 a angebracht, da der rechte Magnet 10 b identisch symmetrisch aufgebaut ist -, so daß die Magnetstabenden der Achse 12, wenn sie in die Aufnahmebohrungen 16 eingesetzt werden, zur zylindrischen Innenwandung jeder Bohrung und zum Boh­ rungsgrund einen Spaltabstand notwendigerweise einhalten müssen, infolge der bei gleichnamigen Polen wirkenden Abstoßungskräfte. Da diese mit sich verringerndem Ab­ stand mit der dritten Potenz anwachsen, sind die Achs­ enden völlig reibungsfrei schwebend in ihren Fassungen gehalten. Dabei kann das Pendel selbst extrem leicht ausgebildet sein, da es aus diesem Grunde (keine Rei­ bung) auch kein Drehmoment zu überwinden braucht.

Durch die Rückkrümmung der für die Magnetlagerung der Achse 12 benötigten Magnete 10 a, 10 b auf sich selbst angrenzend zur Magnetlagerung, wo sich dann also in der Zeichenebene der Fig. 1 unterhalb der Magnetlage­ rung nunmehr ein freier Südpol S′ des Magneten 10 a und ein freier Nordpol N′ des Magneten 10 b gegenüberstehen, ist es möglich, hier ein weiteres einwandfreies Magnet­ feld 16 durch die Luft aufzubauen, so daß sich gleich­ zeitig eine wirkungsvolle, auf Wirbelstrombildung zu­ rückzuführende Dämpfung der Pendellagerung realisieren läßt.

Hierzu braucht lediglich ein mit der Achse 12 drehfestes Teil natürlich aus einem für Wirbelstrombildung geeig­ neten Material, beispielsweise Kupfer o. dgl. in den Be­ reich des Magnetfeldes 16 geführt zu werden. Es kann sich hierbei um den Pendel selbst handeln, um eine Pendelfahne oder auch um eine von der Achse 12 scheibenförmig nach allen Rich­ tungen gleichmäßig ausgehende, am Rande gleichmäßige oder ungleichmäßige Form 18, wie sie in Fig. 2 durch die unregelmäßig gebrochene Umrandung angedeutet ist.

Die für sich gesehen bekannte, zur Bewegungsbremsung eingesetzte Wirbelstrombildung läuft im Grundprinzip so ab, daß das äußere, sich durch die Bewegung der Fahne an der Pendelachse oder der Pendelachse selbst ändernde, auf den Südpol S′ und den Nordpol N′ der Magnete 10 a, 10 b zurückzuführende Magnetfeld in der Fahne Wirbel­ ströme induziert, die ihrerseits ein Gegenmagnetfeld aufbauen, welches dann als magnetische Bremse in Ver­ bindung mit dem primären Magnetfeld wirkt.

Dieser magnetische Einfluß hört auf, wenn das Pendel sich nicht mehr bewegt, so daß die Lage des Pendels sich hochgenau einstellen kann. Tatsächlich ist die Dämpfung, da sie insofern geschwindigkeitsabhängig ist, im Ruhezustand gleich Null.

Eine solche Pendellagerung läßt sich auf beliebige drehende Teile, die gleichzeitig in ihrer Bewegung gedämpft werden sollen, anwenden, also beispielsweise auf die erwähnte Pendellagerung für optische Sensoren, auf Zeigerinstrumente, gegebenenfalls auch auf Schritt­ motoren, wobei dann die durch die Wirbelströme beein­ flußte Fahne radförmig ausgebildet sein kann.

Alle in der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeich­ nung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungs­ wesentlich sein.

Claims (4)

1. Reibungsfreie und gleichzeitig gedämpfte Lagerung eines drehbaren Teils, insbesondere Pendellagerung für optische Sensoren, Neigungsgeber, Inklinometer, elektronische Wasserwaage, für Zeiger bei Zeigerin­ strumenten u. dgl., mit einer in einer Lagerung beid­ seitig aufgenommenen Achse, gekennzeichnet durch die Kombination der folgenden Maßnahmen:

• a) die Lagerung der (Pendel)Achse (12) erfolgt in an sich bekannter Weise durch eine Magnetlagerung, bei der die Nordpol/Südpol-Enden der als Magnet­ stab ausgebildeten Achse (12) von gleichnamigen Magnetpolfassungen unter allseitiger, auf einer magnetischen Abstoßung beruhenden Spaltbildung reibungsfrei aufgenommen sind und
• b) es sind auf jeder Seite der Achse (12) jeweils einstückige Magnete, insgesamt also zwei Magnete (10 a, 10 b) vorgesehen, die mit ihren jeweils an­ deren, durch die Magnetlagerung nicht belegten, freien Polen aufeinander zugekrümmt sind und zwi­ schen sich ein mit der Achse (12) verbundenes Teil (13) aus einem solchen Material aufnehmen, daß in diesem durch den Magnetfluß der freien Pole (S′, N′) geschwindigkeitsabhängige Wirbelströme zur Dämpfung induziert werden.

2. Reibungsfreie Lagerung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die beiden Magnete (10 a, 10 b) Huf­ eisen Permanentmagnete sind, mit an einer ver­ bindenden Basis (15 a) (rechtwinklig) angesetzten, je­ weils kürzeren Querschenkeln (15 b, 15 b′), wobei eine erste aufeinandergerichtete Paarung von Querschenkeln die Fassungen für die Enden der Achse (12) bildet und die andere Paarung im Luftzwischenraum ein Mag­ netfeld (17) aufbaut, in welchem sich eine von der Pendellagerung drehfest ausgehende Fahne bzw. der Pendel (13) selbst bewegt.

3. Reibungsfreie Lagerung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fassungen für die Enden der Achse (12), die selbst als Magnetstab einen Nordpol und einen Südpol bilden, Bohrungen (16) in den Stirn­ flächen der aufeinander zugewandten Querschenkel (15 b) der beiden Magnete (10 a, 10 b) sind.

4. Reibungsfreie Lagerung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die an der Pendellage­ rung zur Wirbelstrombildung induzierte und das freie Luftmagnetfeld (17) durchsetzende Fahne geschlossen scheibenförmig ausgebildet ist.