DE3933698C2 - Aerostatisches Lager - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein aerostatisches Lager nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Da ein aerostatisches Lager ein kontaktloses Lager ist, das eine höhere lineare Genauigkeit aufweist und bei dem keine Vibrationen auftreten, wie sie gewöhnlich durch rauhe Oberflächen bei Kontaktlagern verursacht werden, wird ein derartiges Lager in großem Maße bei verschiedenen Arten von Präzisionsmaschinen und Prüfinstrumenten angewendet. Da jedoch bei dem aerostatischen Lager komprimierte Luft als Fluid-Schmiermittel verwendet wird, ist ein solches Lager im Hinblick auf die Entstehung eines sogenannten "Preßlufthammer"-Phänomens empfindlich. Aus diesem Grunde besteht ein Problem darin, bei aerostatischen Lagern diese "Preßlufthammer"-Wirkung zu überwinden. Außerdem stellen die Steifigkeit bzw. die Härte und die Tragfähigkeit von aerostatischen Lagern wichtige Merkmale dar, die während des Entwurfs betrachtet werden müssen, weil diese Merkmale die Funktion einer Maschine bestimmen, von der eine hohe Präzision verlangt wird.

Bei den herkömmlichen aerostatischen Lagern werden die Steifigkeit bzw. die Härte und die Tragfähigkeit des Lagers üblicherweise dadurch vergrößert, daß der Luftdruck erhöht wird oder daß die Größe der Lagertasche vergrößert wird. Ein Nachteil besteht jedoch darin, daß die Erhöhung des Luftdruckes oder die Vergrößerung der Lagertasche zu dem "Preßlufthammer"-Phänomen führt.

Aus der DE-Z wt.-Z. ind. Fertig. 60 (1970) Nr. 10, Seiten 591 bis 597 geht ein wie eingangs genanntes aerostatisches Lager hervor, bei dem in einer Ebene eines Lagerkörpers eine Lagertasche angeordnet ist, in die eine Öffnung mündet, die mit einem Eingangsdurchgang des Lagerkörpers in Verbindung steht. In der genannten Ebene verläuft eine ringförmige Nut um die Lagertasche herum, wobei eine Mehrzahl von radialen Nuten die Lagertasche mit der ringförmigen Nut verbinden, um die Arbeitsfläche der Lagertasche zu vergrößern und das Gesamtvolumen der Lagertasche zu verkleinern. Dieses Lager weist gemäß Bild 11 eine Regeldrossel auf, bei der bei unterschiedlichen Belastungen des Lagers die Spalthöhe zwischen der Fläche der Ebene des Lagerkörpers und dem gelagerten Gegenstand durch Änderung des Durchsatzes konstant gehalten wird. Die Regeldrossel weist ein Kegel-Kegel-System auf, wobei in Abhängigkeit von dem Lagerdruck der Spalt zwischen der Drosselnadel und dem entsprechenden Luftdurchgang verändert wird.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin ein aerostatisches Lager der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, daß eine höhere Tragfähigkeit und eine größere Festigkeit bzw. Härte bei gleichzeitiger Beseitigung des "Preßlufthammer"-Phänomens erreicht werden.

Diese Aufgabe wird durch ein wie eingangs genanntes aerostatisches Lager gelöst, das durch die in dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angeführten Merkmale gekennzeichnet ist.

Vorteilhafterweise wird durch die Erfindung ein neues aerostatisches Lager geschaffen, bei der kein "Preßlufthammer"-Phänomen auftritt. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das erfindungsgemäße Lager bei seiner Anwendung in einer Maschine zu einem stabileren Betrieb, einer höheren Präzision, einer größeren Tragfähigkeit und einer größeren Steifigkeit bzw. Härte führt.

Das in dem Eingangsdurchgang des erfindungsgemäßen Lagers angeordnete Abstandsteil, das zur Einstellung des Luftvolumens in dem Lager dient, führt zu einer Verbesserung der dynamischen Charakteristiken des Lagers. Das Abstandsteil ist bei einer bevorzugten Ausführungsform mit einem Nadelventil zur Regulierung der Luftströmung in dem Lager versehen, wodurch die Stabilität des Luftlagers genauer gesteuert werden kann.

Bei der Erfindung werden die radialen Nuten verwendet, um das Volumen der Lagertasche so klein wie möglich zu halten, um das "Preßlufthammer"-Phänomen zu vermeiden, ohne daß die hohe Tragfähigkeit und die große Steifheit bzw. Härte des Lagers verringert werden.

Im folgenden werden die Erfindung und deren Ausgestaltungen im Zusammenhang mit den Figuren näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Vorderansicht einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Lagers;

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie 2-2 der Fig. 1;

Fig. 3 einen Schnitt zur Erläuterung der Funktion der ersten Ausführungsform;

Fig. 4 zum Vergleich Druckverteilungskurven, wie sie bei der vorliegenden Erfindung und beim Stand der Technik vorliegen;

Fig. 5 eine Vorderansicht einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 6 einen Schnitt einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 7 einen Schnitt zur Erläuterung der Funktion der dritten Ausführungsform;

Fig. 8 eine Vorderansicht einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;

Fig. 9 einen Schnitt entlang der Linie 9-9 der Fig. 8;

Fig. 10 einen Schnitt entlang der Linie 10-10 der Fig. 9; und

Fig. 11 eine systematische Darstellung eines bekannten aerostatischen Lagers.

Die Fig. 11 zeigt ein bekanntes aerostatisches Lager, bei dem der Lagerkörper B1 eine Lagerebene B2 mit einer Lagertasche B3 aufweist. In der Mitte der Lagertasche B3 befindet sich eine Öffnung B4, die mit dem Eingangsdurchgang B5 im Lagerkörper B1 in Verbindung steht. Die Luft kann von einer Luftquelle S zu der Lagertasche B3 über einen Trockner D, ein Filter F, den Eingangsdurchgang B5 und die Öffnung B4 strömen. Die Luft erzeugt zur Bildung eines Lagers einen Druck im Spalt C zwischen der Lagerebene B2 und der Lageroberfläche X. Wenn eine höhere Tragfähigkeit und eine größere Steif­ heit bzw. Härte gefordert werden, muß das Volumen der Lagertasche B3 oder der Luftdruck vergrößert werden. Diese Schritte der Vergrößerung der Lagertasche B3 und des Luftdruckes würden jedoch zu einem größeren "Preßlufthammer"- bzw. "Lufthammer"-Phänomen führen, das die Präzision und die brauchbare Lebensdauer des Lagers oder sogar die Zuver­ lässigkeit einer ganzen Maschine verringern würde.

Fig. 1 zeigt eine Vorderansicht einer ersten Ausfüh­ rungsform des vorliegenden Lagers, die eine verbes­ serte Struktur im Hinblick auf die Nachteile eines bekannten aerostatischen Lagers bzw. Luftlagers darstellt. In der Ebene 2 des Lagerkörpers 1 befindet sich eine Lagertasche 3 mit einer Öffnung 4 und einer Mehrzahl von radialen Nuten 5, die um den Umfang der Lagertasche 3 herum angeordnet sind, um den Funktionsbe­ reich bzw. die Funktionsfläche der Lagertasche 3 zu vergrö­ ßern. An den äußeren Enden der radialen Nuten 5 ist eine ringförmige Nut 6 vorgesehen.

Fig. 2 zeigt einen Schnitt durch die erste Ausfüh­ rungsform des Lagers. Der Lagerkörper 1 ist mit einem Lufteingang 11 und einem Eingangsdurchgang 12 zur Öffnung 4 versehen. Ein Abstandsteil 8 ist in dem Eingangsdurchgang 12 verschraubbar und einstellbar montiert. Das Abstandsteil 8 weist eine Öffnung 81 zur Bildung eines Zuganges zum Raum zwischen dem Abstandsteil 8 und der Öffnung 4 auf. Die Öffnung 4 verbindet den Hohlraum 7 mit der Lagertasche 3.

Wie dies in der Fig. 3 dargestellt ist, strömt die in den Eingangsdurchgang 12 eingetretene Luft A durch die Öffnung 81 des Abstandsteiles 8, um in den Hohlraum 7 einzutreten, der zu einer stoßdämpfenden Funktion führt. Nachdem die Luft durch die Öffnung 4 hindurchgetreten ist, wird der Luftdruck gleichmäßig in der Lagertasche 3, den radialen Nuten 5 und der ringförmigen Nut 6 ausgebrei­ tet, um einen Druckfilm bzw. eine Druckschicht derart zu bilden, daß der Lagerkörper 1 die Last L trägt, die über der Lagerfläche X floatiert. Dies bedeutet, daß eine aerostatische Lagereinrichtung ohne einen tatsächlichen Kontakt entsteht. Die zentrale Lagertasche 3 weist bei dem vorliegenden Lager ein kleineres Volumen auf als bei dem herkömmlichen Lager. Die gesamte Lagerfläche des vorliegenden Lagers, die die Lagertasche 3, die radialen Nuten 5 und die ringförmige Nut 6 umfaßt, ist jedoch beinahe gleich groß, wie diejenige des herkömmlichen Lagers gemäß Fig. 11. Da das Volumen der gesamten Lagertasche 3 verrin­ gert ist, kann das "Preßlufthammer"- bzw. "Luft­ hammer"-Phänomen beseitigt werden und die nutzbare Lebensdauer, die Präzision und die Zuverlässigkeit des Lagers und der damit ausgerüsteten Maschine können vergrößert werden. Da die Position des Abstandsteiles 8 in dem Eingangsdurch­ gang 12 einstellbar ist, ist auch das Volumen des Hohlraumes 7 einstellbar. Mit der Hilfe des Abstands­ teiles 8 und der Öffnung 81 desselben bewirkt der Hohlraum 7 eine Luftspeicherfunktion, eine Druckstabili­ sierungsfunktion und eine stoßdämpfende Funktion. Außerdem führt er zu einer weiteren Stabilisierungsfunk­ tion, was durch wiederholte Tests bewiesen wurde.

Fig. 4 zeigt Druckverteilungskurven zum Vergleich zwischen dem vorliegenden Lager und dem bekannten Luftlager gemäß Fig. 11, wobei diese Lager dieselben Größen und denselben Luftdruck aufweisen. Die Druckverteilungskurve M sieht beim vorliegenden Lager ähnlich aus, wie die Kurve N des bekannten Lagers gemäß Fig. 11, wenn man davon absieht, daß der Druck in der ringförmigen Nut geringfügig klei­ ner ist. Da die Nuten beim vorliegenden Lager vorge­ sehen werden, um einen Bereich der Lagertasche des bekannten Lagers gemäß Fig. 11 zu ersetzen, wird das "Preßlufthammer"- Phänomen beträchtlich verringert. Außerdem wird durch die auf das Abstandsteil 8 und den Hohlraum 7 zurückzuführende Stabilisierungswirkung das "Preßluft­ hammer"-Phänomen beseitigt, ohne daß auf die Tragfähig­ keit und die Steifigkeit bzw. Härte des aerostatischen Lagers verzichtet wird.

Die Fig. 5 zeigt eine Vorderansicht einer zweiten Aus­ führungsform des vorliegenden Lagers, bei dem der Lagerkörper 21, die Lagertasche und die Nuten 23, 24 keine runde Form aufweisen. Anders ausgedrückt können diese Teile auch eine rechteckige, quadratische oder eine andere geeignete Form aufweisen. Mit anderen Worten können die Formen des Lagerkörpers 21, der Lagertasche 22 der radialen Nuten 23 und der ringförmigen Nut 24 gemäß den tatsächlichen Anforderungen geändert werden.

Fig. 6 zeigt einen Schnitt einer dritten Ausführungsform des vorliegenden Lagers, wobei diese Ausführungsform eine weitere Verbesserung der Öffnung 381 des Abstandsteiles 38 im Vergleich zu den vorhergehenden Ausführungsformen betrifft, so daß das Strömungsvolumen der Luft noch genauer reguliert werden kann. Da der Aufbau der Lagertasche und der Nuten bei der dritten Ausführungsform derselbe ist wie bei der ersten oder zweiten Ausführungsform, werden diese Einzelheiten nicht näher erläutert. An der dem Eingangsdurchgang 32 gegenüberliegenden Seite befindet sich ein Durchgangsloch 33 im Lagerkörper 31, das mit dem Hohlraum 37 in Verbindung steht. Ein stöpsel- oder zapfenartiges Teil 39 ist in dem Durchgangsloch 33 mit der Hilfe von Gewinden derart befestigt, daß es in axialer Richtung einstellbar ist, so daß das Volumen des Hohlraumes 37 einstellbar ist. Das Teil 39 ist mit einem einstellbaren Nadelventil 30 versehen, wobei das konische Ende des Nadelventiles 30 in die Öffnung 381 des Abstandsteiles 38 eingesetzt oder aus dieser Öffnung 381 herausbewegt werden kann, um die Querschnittsfläche der Öffnung 381 zu verändern.

Fig. 7 zeigt die Funktion der dritten Ausführungs­ form. Das Abstandsteil 38 wird zuerst zu einer vorgegebenen Position eingestellt. Das Nadelventil 30 wird in eine Position gebracht, in der es von dem Abstandsteil 38 ge­ trennt ist. Dann tritt die Luft A in den Eingangsdurchgang 32, um durch die Öffnung 381 des Abstandsteiles 38 zu strömen und in den Hohlraum 37 einzutreten. Dann kann die Bedienungsperson das Teil 39 einstellen, um das Volumen des Hohlraumes 37 zu verändern, bis das Lager auf einen stabilen Zustand eingestellt ist. Das Nadel­ ventil 30 wird dann eingestellt, um den Luftstrom zu variieren, um so die Stabilität des Lagers genauer zu steuern. Schließlich kann das Durchgangsloch 371 mit einer Kappe bzw. einem Deckel 9 verschlossen werden.

Fig. 8 zeigt eine Vorderansicht einer vierten Aus­ führungsform des vorliegenden Lagers. Fig. 9 zeigt einen Schnitt durch die Anordnung der Fig. 8 entlang der Linie 9-9. Fig. 10 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 10-10 der Fig. 9. Die Vorderseite der vierten Ausführungsform weist dieselbe Struktur, nämlich die Lagertasche 42, die radialen Nuten 43 und die ring­ förmige Nut 44 auf, wie bei der ersten oder zweiten Ausführungsform. Der Lagerkörper 41 weist einen Ein­ gangsdurchgang 45 auf, in dem ein einstellbares Ab­ standsteil 46 montiert ist. Das Abstandsteil 46 weist ein Gewindeloch 461 zur Aufnahme eines Gewindebolzens 47 auf, durch den das Abstandsteil 46 zur Bewegung angetrieben werden kann. Ein Ende des Gewindebolzens 47 ist drehbar in einem Loch eines Deckelteiles 49 befestigt, wobei jedoch eine begrenzte axiale Bewegung dazwischen durch Halteringe 491 und 492 möglich ist. Das Deckelteil 49 ist fest am Lagerkörper 41 mit der Hilfe von Schrauben befestigt. Als Ergebnis kann der Gewindebolzen 47 das Abstandsteil 46 so antreiben, daß es sich zurück oder vorwärts bewegt, um das Volumen des Hohlraumes 450 zwischen den Öffnungen 421 und 463 der Lagertasche 42 und dem Abstandsteil 46 zu verändern. Das Deckelteil 49 weist ein weiteres Durchgangsloch zur Befestigung eines drehbaren Stabes 48 auf, der in der richtigen Lage festgehalten wird und durch Halterin­ ge 493 und 494 daran gehindert wird, sich in axialer Richtung zu bewegen. Ein Ende des Stabes 48 ist im Eingangsdurchgang 45 mit einem Nadelventil 481 verbunden, das axial gleiten kann, aber sich in Bezug auf den Stab 48 nicht drehen kann. Dies kann durch einen Stab 48 er­ reicht werden, der ein rechteckiges Loch zur Aufnahme eines rechteckförmigen Stiftes des Nadelventiles 481 aufweist. Ein Ende des Nadelventiles 481 ist mit Gewin­ den versehen und in ein weiteres Gewindeloch 462 des Abstandsteiles 46 eingesetzt. Wenn das Nadelventil gedreht wird, kann das konische Ende des Nadelventiles 481 näher zu einer Öffnung 463 im Abstandsteil 46 bewegt werden oder von dieser Öffnung 463 weg bewegt werden, um die Luftströmung zu regulieren. Das Gewindeloch 462 im Abstandsteil 46 und die Öffnung 463 sind koaxial zu einem zwischen ihnen liegenden Raum angeordnet, so daß ein Hohlraum 464 zur Aufnahme des konischen Endes des Nadelventiles 481 gebildet wird. An einer Seite des Gewindeloches 462 befindet sich der Eingangsdurchgang 45, (siehe Fig. 10) der in Verbindung mit dem Hohlraum 464 steht. Das Deckelteil 49 weist eine weitere Ein­ gangsöffnung 465 auf, die mit dem Eingangsdurchgang 45 in Verbindung steht, so daß Luft in den Hohlraum 450 über die Eingangsöffnung 465, die Durchgänge 45 und 464 und die Öffnung 463 fließen kann. Schließlich strömt die Luft durch die Öffnung 421 zur Lagertasche 42 und den Nuten 43 und 44, um eine Lagerfunktion zu erfüllen. O-Ringe sind zwischen dem Abstandsteil 46 und dem Eingangsdurchgang 45 und auch zwischen dem Gewindebolzen 47, dem einstell­ baren Stab 48 und dem Deckelteil 49 jeweils befestigt, um Dichtungsteile zu bilden, die ein Entweichen von Luft verhindern.

Beim Betrieb kann das Volumen des Hohlraumes 450 dadurch eingestellt werden, daß die Position des Abstandsteiles 46 durch Verdrehen des Gewindebolzens 47 verschoben bzw. bewegt wird. Gleichzeitig kann das Nadelventil 481 frei in dem Stab 48 gleiten, ohne daß die Relativposi­ tion zwischen dem Nadelventil 481 und der Öffnung 463 beeinträchtigt wird. Wenn es nach der Einstellung des Volumens des Hohlraumes 450 noch einen geringfügig unstabi­ len Zustand gibt, kann der Stab 48 gedreht werden, um das Nadelventil 481 zur Einstellung der Strömung durch die Öffnung 463 zu bewegen.

Das vorliegende aerostatische Lager mit einer einstellbaren Stabilisierungseinrichtung ist im Zusammenhang mit einer linearen Gleit- bzw. Laufschiene eines Präzisionsprüfinstrumentes oder einer Präzisions­ werkzeugmaschine usw. anwendbar. Das Lager umfaßt einen Lagerkörper mit einer runden oder anders geformten Ebene. Die Ebene weist eine Lagertasche, eine Mehrzahl von radialen Nuten und eine ringförmige Nut auf, die miteinander in Verbindung stehen. Der Außenrand des Lagerkörpers weist einen Lufteingang auf, der über einen Eingangsdurchgang verlängert ist und mit einem Bereich in der Nähe der Lagertasche in Verbindung steht. Der Eingangsdurchgang steht mit der Lagertasche über eine erste Öffnung in Verbindung. Ein Abstandsteil mit einer zwei­ ten Öffnung ist bewegbar in dem Eingangsdurchgang ange­ ordnet, so daß zwischen den beiden Öffnungen ein Hohl­ raum gebildet wird. Wenn die Position des Abstandsteiles verändert wird, wird das Volumen des Hohlraumes zur Einstellung des Lagers auf einen stabilen Zustand variiert. Außerdem ist die zweite Öffnung so beschaffen, daß sie durch ein Nadelventil derart beaufschlagt werden kann, daß die Volumengeschwindigkeit der durch die zweite Öffnung strömenden Eingangsluft zur Erzielung des besten Ergebnisses eingestellt werden kann.

Claims (4)

1. Aerostatisches Lager mit einem eine Ebene (2) aufweisenden Lagerkörper (1; 21; 31; 41), wobei in der Ebene (2) eine Lagertasche (3; 22; 42) angeordnet ist, in die eine erste Öffnung (4; 421) mündet, die mit einem Eingangsdurchgang (12; 32; 45) in Verbindung steht, der in dem Lagerkörper (1; 21; 31; 41) vorgesehen ist, wobei in der Ebene (2) ferner eine ringförmige Nut (6; 24; 44) um die Lagertasche (3; 22; 42) herumverläuft und eine Mehrzahl von radialen Nuten (5; 23; 43) die Lagertasche (3; 22; 42) mit der ringförmigen Nut (6; 24; 44) verbinden, um die Arbeitsfläche der Lagertasche (3; 22; 42) zu vergrößern und das Gesamtvolumen der Lagertasche (3; 22; 42) zu verkleinern, dadurch gekennzeichnet, daß ein eine zweite Öffnung (81; 381; 463) aufweisendes Abstandsteil (8; 38; 46) in dem Eingangsdurchgang (12; 32; 45) derart bewegbar ist, daß in dem Eingangsdurchgang (12; 32; 45) zwischen der ersten Öffnung (4) und der zweiten Öffnung (81; 381; 463) ein Hohlraum (7; 37; 450) mit einem einstellbaren Volumen gebildet ist.

2. Lager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der zweiten Öffnung (381; 463) ein Nadelventil (30, 481) zur Veränderung der Querschnittsfläche der zweiten Öffnung (381; 463) angeordnet ist.

3. Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Nadelventil (30) an der dem Eingangsdurchgang (32) gegenüberliegenden Seite in einem Durchgangsloch (33) des Lagerkörpers (31) angeordnet ist und daß ein ein Gewinde aufnehmendes Teil (39), an dem das Nadelventil (30) befestigt ist, zur Bewegung desselben zur Einstellung der Position desselben in bezug auf die zweite Öffnung (381) in dem Durchgangsloch (33) verstellbar ist.

4. Lager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Nadelventil (481) auf derselben Seite wie der Eingangsdurchgang (45) angeordnet ist und in ein Gewindeloch (462) des Abstandsteiles (46) zur Einstellung der Position des Nadelventiles (481) in bezug auf die zweite Öffnung (463) eingesetzt ist, daß ein Deckelteil (49) mit einer Eingangsöffnung am Öffnungsbereich des mit der Eingangsöffnung in Verbindung stehenden Eingangsdurchganges (45) befestigt ist, daß im Deckelteil (49) ein Gewindebolzen (47) und ein Stab (48) drehbar aber axial unbeweglich angeordnet sind, daß der Gewindebolzen (47) zur Bewegung des Abstandsteiles (46) in Vorwärts- und Rückwärtsrichtung in ein weiteres Gewindeloch (461) des Abstandsteiles (46) eingreift und daß bei einer Drehung des Gewindebolzens (47) das drehfest am Stab (48) montierte Nadelventil (481) in bezug auf den einstellbaren Stab (48) in axialer Richtung gleitet, so daß die Bewegung des Abstandsteiles (46) nicht die relative Position zwischen dem Nadelventil (481) und der zweiten Öffnung (463) beeinträchtigt und daß diese relative Position nur bei einer Drehung des drehfest mit dem Nadelventil (481) verbundenen Stabes (48) verändert wird.