DE60203296T2

DE60203296T2 - Kontaktlager

Info

Publication number: DE60203296T2
Application number: DE60203296T
Authority: DE
Inventors: P. Nam SUH; Matthew Sweetland
Original assignee: Tribotek Inc
Current assignee: Tribotek Inc
Priority date: 2001-06-11
Filing date: 2002-06-11
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2022-06-12
Also published as: CN100337045C; DE60203296D1; BR0210347A; ATE291180T1; KR20040034614A; JP2004530089A; CN1514914A; CA2447792A1; WO2002101252A1; EP1404983A1; EP1404983B1; RU2004100305A; US20030007706A1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kontaktlager und genauer gesagt ein Gleitkontaktlager mit einer verlängerten Standzeit.
STAND DER TECHNIK
Lager werden für viele verschiedene Anwendungen eingesetzt. Repräsentative Beispiele beinhalten einfache Türscharniere; Verbrennungskraftmaschinen; Schwerlast-Baumaschinen; und andere Anwendungen, die ein Lager korrosiven Materialien, abrasiven Partikeln sowie nicht geschmierten Umgebungen aussetzen. In diesen Anwendungen und auch in anderen nehmen Lager Kontaktkräfte zwischen miteinander verbundenen Objekten auf, während sie eine Bewegung dieser Objekte relativ zueinander ermöglichen, entweder durch eine lineare Bewegung, eine Rotationsbewegung oder eine Kombination daraus.
Verschleiß ist die Beeinträchtigung, die einem Lager bei längerer Verwendung widerfahren kann. Verschleiß steht oft im Zusammenhang mit einer erhöhten Reibung, wobei es sich um den Widerstand gegen die relative Bewegung zwischen Objekten handelt. Viele Ursachen der Reibung tragen auch zum Verschleiß bei, einschließlich loser Partikel, die in das Lager hineinrollen, und Interaktionen von Rauhigkeiten an den Oberflächen des Lagers. Diese Ursachen können auch zum Ausfall des Lagers und/oder zu einer erhöhten Reibung während der gesamten Standzeit eines Lagers führen.
Herkömmliche Lager sind bekannt, die ein solches "Hineinpflügen" dadurch angehen, dass eine Oberfläche viel weicher ausgestaltet ist als die Oberfläche, die sie kontaktiert. Eine Oberfläche viel weicher auszugestalten, reduziert die Reibung, indem der Großteil des Pflügens in dem weicheren Material stattfindet. In dieser Hinsicht erfordert das Hineinschneiden von Nuten (das Pflügen) in das weichere Material weniger Energie als das Hineinschneiden von Nuten in sehr harte Materialien, so dass die entstehende Reibkraft geringer ist. Zu einem geringeren Grad kann das weichere Ausgestalten einer Oberfläche es auch ermöglichen, dass ein loses Partikel in die weichere Oberfläche hinein eingebettet werden kann und daher im wesentlichen aus dem Übergang zwischen den Oberflächen entfernt werden kann. Herkömmliche Lager reduzieren das Durchpflügen auch durch das Einführen von Partikelfallen, die die Menge der Partikel zwischen der Lagerflächen reduzieren, indem sie ein Aufsammeln der Partikel von der Lagerfläche ermöglichen. Die Interaktionen zwischen Rauhigkeiten sind im Stand der Technik dadurch angegangen worden, dass die Menge und das Ausmaß der Interaktionen der existierenden Rauheiten durch eine verbesserte Endbearbeitung der Lageroberfläche reduziert worden sind.
Das Durchpflügen oder Interaktionen zwischen Rauhigkeiten sind aber für manche Arten von Lagern nicht so problematisch. Beispielsweise sind das Durchpflügen und die Interaktionen zwischen Rauhigkeiten bei hydrodynamischen Lagern, die während des Betriebs normalerweise nicht in direktem Kontakt miteinander stehen, weniger wichtig.
DE-A-G 89 14 996.3 offenbart ein Radiallager, welches aus einem Kreis aus in Umfangsrichtung beabstandeten, sich radial einwärts erstreckenden flexiblen polymerischen Elementen besteht, welche die Welle an ihren einseitig eingespannten, radial einwärtigen Enden lagern.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Das im Anspruch 1 definierte Kontaktlager ist dazu ausgestaltet, eine gegenüberliegende Lageroberfläche für eine gesteuerte Relativbewegung zu lagern. Das Lager ist so ausgestaltet, dass es eine lange Standzeit hat, indem einige Ursachen des Verschleißes angegangen worden sind, die die Standzeit des Lagers reduzieren können. Das Lager kann zumindest eines der Merkmale beinhalten, unabhängig voneinander oder in Kombination miteinander, die zu einer verlängerten Standzeit des Lagers und zu einer geringeren Reibung beitragen.
Der Anspruch 28 definiert ein Verfahren zum Ausgleichen von Unregelmäßigkeiten, Rauhigkeiten oder losen Partikeln in einem Kontaktlager.
Weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung schaffen bestimmte Vorteile und überwinden bestimme Nachteile herkömmlicher Kontaktlager.
Eventuell teilen Ausführungsformen der Erfindung nicht die gleichen Vorteile, und soweit sie dies tun, teilen sie diese Vorteile eventuell nicht unter allen Umständen. Die vorliegende Erfindung schafft auf dieser Grundlage verschiedene Vorteile einschließlich des besonderen Vorteils der verlängerten Standzeit und/oder der guten Leistungsfähigkeit.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung sowie die Struktur verschiedener Ausführungsformen werden genau mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung werden nun beispielhaft mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine schematische Darstellung eines zylindrischen Lagers gemäß einem Aspekt der Erfindung.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines zylindrischen Lagers mit einer inneren Oberfläche, welche eine lokal nachgiebige Oberfläche aufweist, gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung.
2A ist eine schematische Endansicht eines Lagers.
3 ist eine perspektivische Ansicht eines zylindrischen Lagers mit einer lokalen nachgiebigen äußeren Oberfläche gemäß einem noch anderen Aspekt der Erfindung.
4 ist eine perspektivische Ansicht eines zylindrischen Lagers mit sowohl einer inneren als auch einer äußeren lokalen nachgiebigen Oberfläche gemäß einem noch anderen Aspekt der Erfindung.
5A ist eine perspektivische Ansicht des Durchpflügens zwischen zwei gegenüberliegenden Lagerflächen.
5B ist eine perspektivische Ansicht der Interaktion zwischen Rauhigkeiten zwischen zwei gegenüberliegenden Lagerflächen.
6 ist eine schematische Ansicht entlang den Linien 6-6 der 2A, und zeigt eine Mehrzahl von Lagerungselementen, welche an einem Lager ausgebildet sind, gemäß einem Aspekt der Erfindung.
7 ist eine schematische Darstellung von mehreren Lagerungselementen, welche an einem Lager ausgebildet sind, wobei in den zwischen den Lagerungselementen definierten Lücken Material vorgesehen ist, gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung.
8A–8D zeigen schematische Darstellungen mehrerer Ausführungsformen der an einem Lager ausgebildeten Lagerungselemente gemäß mehreren Aspekten der Erfindung.
9 ist eine schematische Darstellung eines Linearlagers gemäß einem Aspekt der Erfindung.
10 ist eine perspektivische Ansicht eines Linearlagers mit einer lokal nachgiebigen Oberfläche gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung.
11 ist eine schematische Darstellung eines lokal nachgiebigen Lagers gemäß einem Aspekt der Erfindung.
12 ist eine perspektivische Ansicht eines zylindrischen Lagers mit einer lokalen nachgiebigen Oberfläche gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung.
13 ist ein Graph von experimentellen Ergebnissen, die teilweise mit der Ausführungsform erzielt worden sind, die in 12 dargestellt ist, und
14 ist eine schematische Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform gemäß einem Aspekt der Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Das Lager der vorliegenden Erfindung ist dazu ausgestaltet, ein gegenüberliegendes Lager oder eine gegenüberliegende Lagerfläche zu stützen und dabei eine gesteuerte Relativbewegung damit zu ermöglichen. Das Lager ist so aufgebaut, dass es eine lange Standzeit hat, indem eine lokale nachgiebige Oberfläche vorgesehen ist, welche viele Ursachen der Reibung und des Verschleißes angeht. Das Lager kann eines oder mehrere Merkmale aufweisen, die unabhängig voneinander oder in Kombination miteinander vorliegen können, welche zu einer verlängerten Standzeit und/oder einer geringeren Reibung über die gesamte Standzeit des Lagers hinweg beitragen.
In einem Aspekt weist das Lager mehrere Lagerungselemente auf, welche sich von einem Grundteil aus erstrecken. Zusammen können diese mehreren Lagerungselemente eine Last aufnehmen, die auf das Grundteil aufgebracht wird, durch ein gegenüberliegendes Lager oder eine gegenüberliegende Fläche. Darüber hinaus ermöglichen die mehreren Lagerungselemente einen Gleitkontakt zwischen den gegenüberliegenden Lagern. Die Lagerungselemente können sich unabhängig bewegen, um Unregelmäßigkeiten auszugleichen wie beispielsweise Rauheiten oder lose Partikel, die sich zwischen dem Lagerungselement und dem gegenüberliegenden Lager befinden, so dass der Verschleiß minimiert wird, wie dies noch genauer beschrieben wird. Bereiche der mehreren Lagerungselemente können sich auch zusammen bewegen, um den Kontaktdruck zwischen den gegenüberliegenden Lagern zu minimieren, wenn Bereiche der Lager gegeneinander gedrückt werden.
In einer Ausführungsform kann das Lager so aufgebaut und angeordnet sein, dass es ein gegenüberliegendes Lager in im wesentlichen dem gleichen Abstand in einer Richtung rechtwinklig zu dem Grundteil des Lagers hält, wobei dennoch der Hang zum Verschleiß reduziert wird. Dies kann dadurch erzielt werden, dass ein Lager mit mehreren Lagerungselementen zum Stützen der gegenüberliegenden Lagerfläche vorgesehen wird, wobei die Mehrzahl der Lagerungselemente den Abstand zwischen dem gegenüberliegenden Lager aufrecht erhält, wenn ein loses Partikel oder eine Rauhigkeit zu einer Verbiegung zumindest eines der Lagerungselemente führt.
In einer Ausführungsform kann das Lager mehrere Lagerungselemente haben, die an einem Grundteil angebracht sind, und es kann so aufgebaut sein, dass mehrere Platten zusammen platziert sind. Jede Platte kann Lagerungselemente haben, die sich von einer Seite aus erstrecken.
Mit Bezug auf die Zeichnungen und insbesondere 1 sind nun eine Ausführungsform und eine Anwendung für die vorliegende Erfindung dargestellt. Die 1 zeigt eine Welle 20, welche innerhalb eines Objekts 22 durch ein zylindrisches Lager 24 angebracht ist. Die Welle kann sich um ihre Mittelachse 26 herum drehen oder entlang ihrer Mittelachse relativ zu dem Objekt 22 gleiten. Das Lager 24 hilft bei einer Relativbewegung zwischen der Welle und dem Objekt, indem es eine Oberfläche hat, welche die Reibungseigenschaften vermindert. Das Lager 24 kann auch entfernt und ausgetauscht werden, wobei die Notwendigkeit entfällt, eine gesamte Welle oder ein passendes Objekt auszutauschen, wenn eine der Gleitflächen 21 beschädigt oder verschlissen ist. Das Lager 24 in 1 kann fest an der Welle 20, dem Objekt 22 angebracht sein oder auch so vorgesehen sein, dass es relativ zu sowohl der welle als auch dem Objekt schwimmen kann. Es kann einen vollständig zylindrischen Schnitt aufweisen; das Lager kann aber auch mehrere Abschnitte aufweisen, die zusammen einen vollständigen oder einen teilweisen Zylinder bilden. Darüber hinaus können auch zwei separate Lager konzentrisch angeordnet sein, wobei das erste Lager fest an der Welle 20 und beweglich mit Bezug auf das zweite Lager angebracht ist, welches seinerseits fest an dem Objekt 22 angebracht ist.
Das Lager ermöglicht es, dass ein Gleitkontakt auf kontrollierte Art und Weise auftritt. Mit kontrollierter Art und Weise ist gemeint, dass eine Bewegung in bestimmten Richtungen ermöglicht ist, während sie in anderen Richtungen verhindert oder beschränkt ist. Beispielsweise ermöglicht das zylindrische Lager 24 der 1 eine Drehung um die Mittelachse 26 der Welle 20 herum und eine Translation entlang der gleichen Achse, verhindert aber im allgemeinen oder reduziert die Querbewegung oder Verbiegung in anderen Richtungen. Andere Ausführungsformen können eine dieser Bewegungen beschränken, wobei andere Merkmale hinzugefügt sind, beispielsweise zwei Anschläge (nicht dargestellt), welche eine Translation der Welle durch das Objekt hindurch oder eine Drehung der Welle relativ zu dem Objekt verhindern.
Um Ungleichmäßigkeiten auszugleichen, weisen mehrere unabhängig bewegliche Lagerungen eine Ausführungsform eines Lagers auf, ein solches Lager ist in 2 dargestellt, welches eine matrixartige Anordnung von Lagerungselementen 28 zeigt, welche sich von einem Grundteil 30 aus erstrecken. Die Lagerungselemente arbeiten zusammen, um eine innere Oberfläche 32 des zylindrischen Lagers 24 zu bilden. Jedes der Lagerungselemente 28 weist ein erstes Ende 34 auf, das an dem Grundteil angebracht ist, und ein distales Ende 36, das für einen Kontakt mit einem gegenüberliegenden Lager ausgestaltet ist. Das gegenüberliegende Lager kann eine zylindrische Welle (nicht dargestellt) sein, welche durch die Mitte des Lagers hindurchtritt. All diese Lagerungselemente dienen zusammen dazu, die Welle im Gleitkontakt zu stützen und zu steuern. Die unabhängigen Lagerungselemente 28 haben jedoch eine lokal nachgiebige Oberfläche 40 mit der Fähigkeit, lose Partikel aufzunehmen, um eine durch das Durchpflügen erzeugte Beschädigung zu vermindern und/oder eine Beschädigung zu verhindern, die durch den Kontakt zwischen Oberflächenrauhigkeiten oder anderen Unregelmäßigkeiten verursacht wird. Der Ausdruck "lokal nachgiebig" bedeutet hier, dass Lagerungselemente 28 sich unabhängig voneinander bewegen können, um Unregelmäßigkeiten auszugleichen, wie beispielsweise lose Partikel oder Rauhigkeiten 44 zwischen dem Lager und der gegenüberliegenden Oberfläche. Auf diese Art und Weise kann die lokal nachgiebige Oberfläche eine gegenüberliegenden Lagerfläche stützen, während sie sich bewegt, um Rauhigkeiten und lose Partikel an "lokalen" stellen an ihrer Oberfläche aufzunehmen. Indem die Bewegung der Lagerungen ermöglicht wird, werden so lose Partikel zwischen zwei lasttragenden Oberflächen aufgenommen, ohne dass diese in eine der Lagerungsflächen hineinpflügen, bis das lose Partikel effektiv entfernt werden kann, beispielsweise durch eine Partikelfalle. Die Lagerungselemente sind in Richtung der gegenüberliegenden Oberfläche vorgespannt, so dass, nachdem die Unregelmäßigkeit entfernt worden ist oder an der Lagerung vorbeigelaufen ist, sich die Lagerung zurück in Kontakt mit der gegenüberliegenden Fläche bewegen kann.
Eine lokal nachgiebige Oberfläche ermöglicht es auch, das gegenüberliegende Lager größere Kontaktflächenbereiche zwischen ihren jeweiligen Kontaktflächen halten. Dies kann dazu beitragen, Kontaktflächenbereiche mit hoher Beanspruchung zu verhindern. Wenn beispielsweise die Welle der 1 versucht, sich um eine Achse zu verbiegen, die nicht ihre Mittelachse ist, werden sich die Lagerungselemente an Stellen angrenzend an die Welle, wo diese sich am weitesten weg von der Mittelachse befindet, stärker verbiegen als andere. Wenn eine solche Verbiegung dieser Lagerungselemente ermöglicht wird, kann der ansonsten höhere Kontaktdruck über eine größere Anzahl von Lagerungselementen verteilt werden. Dies kann zu einem geringeren Spitzenkontaktdruck führen, als er bei einem herkömmlichen Lager auftreten würde. Dieser geringere Kontaktdruck vermindert das Ausmaß von Problemen, die mit dem Durchpflügen und den Interaktionen zwischen den Rauhigkeiten im Zusammenhang stehen, welche Verschleiß und Reibung verursachen. In diesem Sinne kann eine lokal nachgiebige Oberfläche dazu verwendet werden, eine "global nachgiebige" Oberfläche zu bilden.
Wie zuvor erwähnt, geht eine lokal nachgiebige Oberfläche mehrere der Ursachen von Verschleiß und Reibung an. Einige dieser Ursachen, einschließlich des Durchpflügens eines Lagers durch lose Partikel und der Beschädigung eines Lagers durch Interaktionen zwischen Rauhigkeiten, werden nun genauer beschrieben. Das Durchpflügen ist in 5A dargestellt, wo zwei herkömmliche Lager 48 dargestellt sind, die relativ zueinander gleiten, wobei ein agglomeriertes Partikel 54 zwischen diesen Lagern deponiert ist. Die Interaktion der Rauhigkeit 44 zwischen zwei gegenüberliegenden herkömmlichen Lagern 48 sind in 5B dargestellt.
Beim Durchpflügen ist ein Partikel 42 oder ein agglomeriertes Partikel 54 in einem Lager 48 deponiert und verursacht eine Verschleißbeschädigung, wenn die Lager gegeneinander gedrückt werden, während sie relativ zueinander gleiten. Wenn die Lager 48 weiter relativ zueinander gleiten, zieht diese Gleitbewegung das Partikel entlang den Lagern, was zu einer weitern Beschädigung führt, meist in Form einer Furche 50. Zusätzlich zu dem Verursachen einer Verschleißbeschädigung steigern der Vorgang des Erzeugens der Furche 50 und die durch die Furche erzeugte rauere Oberfläche das Ausmaß der Reibung, die zwischen den Lagern vorliegt.
Wenn Partikel in ein Lager hineinpflügen, erzeugen sie zusätzliche Verschleißpartikel 42, die aus dem Lager herausbrechen können. Diese neuen Partikel können sich in größere Partikel zusammenklumpen, welche dann einen weiteren Pflügeschaden verursachen können. Wenn dieses Phänomen weiter fortschreitet, kann eine Delaminierung an einer der Lagerflächen auftreten. Eine Delaminierung ist das Entfernen von Material von einer der Lagerflächen auf schichtartige Weise. Die Delaminierung zerstört die Lagerfläche, was zu einem signifikanten Verschleiß, einer signifikant verstärkten Reibung und möglicherweise sogar zu einem katastrophalen Ausfall des Lagers führt.
Eine Rauhigkeit 44 ist im hier verwendeten Sinne ein kleiner Vorsprung, der zu einem gewissen Grad an Lagern 48 existieren kann, wie dies in 5B dargestellt ist. Viele dieser kleinen Rauhigkeiten werden in Kontakt mit Rauhigkeiten 44 des gegenüberliegenden Lagers gezwungen werden, wenn diese gegeneinander gedrückt werden. Während die Interaktion zwischen Rauhigkeiten zu einem gewissen Grad auftritt, um eine Kontaktkraft zwischen Lagern aufzunehmen, werden größere Rauhigkeiten stärker zur Reibung und zum Verschleiß zwischen den Oberflächen beitragen. Rauhigkeiten 44 können auch aus einem Lager herausbrechen, wenn sie interagieren, wodurch sie zu losen Partikeln 42 werden. Die meisten Rauhigkeiten liegen in ihrer Größe zwischen 1 bis 5 μm, können aber auch von 0,5 bis 30 μm reichen. Rauhigkeiten, die aus einer Oberfläche herausbrechen und zwischen der Lagern verbleiben, wenn diese sich relativ zueinander bewegen, können sich zu größeren Partikeln zusammenfügen, welche dann zu dem Pflügephänomen beitragen können. Agglomerierte Partikel 54 können in der Größe zwischen 5 μm bis einigen hundert μm reichen. Andere Fremdkörperpartikel, die auch ein Durchpflügen verursachen. können, reichen typischerweise in der Größe zwischen 20 und 80 Mikrometern.
Um Unregelmäßigkeiten aufzunehmen wie beispielsweise ein loses Partikel, eine Rauhigkeit, ein Fremdkörper oder einen anderen Oberflächendefekt, der sich zwischen einem Lager der vorliegenden Erfindung und einer Lagerung befindet, kann sich ein Lagerungselement 28 aus dem Weg herausbiegen, wie dies beispielsweise in 2A dargestellt ist. Statt eines Durchpflügens der Unregelmäßigkeit oder einer anders gearteten Bindung bewegt sich daher das Lager einfach, wenn auch auf einer lokalen Stufe, um die Unregelmäßigkeit aufzunehmen. Alternativ oder zusätzlich kann ein loses Partikel in einen der Zwischenräume 56 hineinfallen, welche zwischen benachbarten Lagerungselementen 28 vorzusehen sind. Wenn es sich einmal in einem solchen Zwischenraum 56 befindet, ist die Tendenz des Partikels, zu einer Beschädigung des Lagers zu führen, vermindert. Wenn das Partikel nicht in einen Zwischenraum hineinfällt, kann es eventuell aus dem Raum zwischen den Lagern entfernt werden, indem es an einem Ende austritt.
Eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Endbereiche der Lagerungselemente der 2A ist schematisch in 6 dargestellt, welche eine Ansicht entlang den Linien 6-6 der 2A ist. Hier weist die lokal nachgiebige Oberfläche 40 mehrere Lagerungselemente 28 auf, welche solche Endbereiche hat, die sich rechtwinklig von einem Grundteil 30 aus erstrecken. In den meisten Ausführungsformen haben die Lagerungselemente einen quadratischen Querschnitt mit einer Länge von ungefähr dem Drei- bis Fünfzehnfachen ihrer Breite, obwohl die Erfindung nicht auf diese Geometrien beschränkt ist, da verschiedene andere auch von der Erfindung angedacht sind. Die Lagerungselemente sind beabstandet, so dass Zwischenräume 56 dazwischen definiert sind. Diese Zwischenräume 56 können ungefähr die gleichen Abmaße haben wie die Lagerungselemente selbst.
In einer anderen Ausführungsform wie beispielsweise der in 7 dargestellten befindet sich ein Material 58 in den durch angrenzende Lagerungselemente definierten Zwischenräumen 56. Dieses Material kann in einigen oder in allen Zwischenräumen 56 vorgesehen sein. Es kann gesamte Zwischenräume ausfüllen oder nur Bereiche von Zwischenräumen, da die Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt ist. Das Material kann ein Element aufweisen, das die Elemente 28 weiter unterstützt. Es kann auch eine Substanz aufweisen, um die Ansammlung loser Partikel zu verhindern, welche darin deponiert werden könnten, und um eine Verbiegung der Lagerungselemente zu verhindern. Eine solche Substanz kann ein sehr flexibles Material sein, so dass es die Verbiegung von Lagerungselementen nicht nachteilig beeinflusst. In anderen Ausführungsformen kann das Material ein Schmiermittel aufweisen, das mit der Zeit an das Lager ausgegeben wird. Dies kann natürlich geschehen, wenn die Lagerungselemente verschleißen, da in dem Lager erzeugte Hitze dazu führt, dass sich die Viskosität des Schmiermittels verändert und das Schmiermittel in Richtung des Lagers wandert, oder auch durch andere bekannte Mechanismen.
Zurück zu verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung, insbesondere zu dem zylindrischen Lager der 2, welches eine lokal nachgiebige Oberfläche hat. Diese Anordnung ist zum Lagern einer Welle 20, die sich relativ zu dem Lager 24 dreht und/oder translatorisch bewegt, während das Lager mittels eines anderen Objekts 22 gehalten wird, ist dargestellt. Die 3 und 4 zeigen alternative Ausführungsformen eines zylindrischen Lagers, ebenfalls mit einer lokal nachgiebigen Oberfläche 40. Die Ausführungsform der 3 hat eine lokal nachgiebige Oberfläche an der äußeren zylindrischen Fläche 46. Dieses Lager kann an der äußeren Fläche einer Welle gehalten werden, so dass es sich mitbewegt und die Rotation oder Translation zwischen dem Objekt 22 aufnimmt, welches die äußere Fläche des Lagers kontaktiert. Die Ausführungsform der 4 weist in den 2 und 3 dargestellte Merkmale auf. Sie hat lokal nachgiebige Flächen 40, welche sowohl die innere als auch die äußere zylindrische Fläche aufweisen. Dieses Lager kann sich zwischen einer Welle 20 und der inneren zylindrischen Fläche eines anderen Objekts (nicht dargestellt) befinden, um die relative Translation und/oder Rotation zwischen der Welle 20, dem Lager 24 und dem Objekt zu stützen. Dieses Lager ist dazu ausgestaltet, zwischen den Flächen der Welle 20 und des Objekts 22 zu schwimmen. Während die lokal nachgiebigen Flächen 40 dieser Lager dazu ausgestaltet sind, eine herkömmliche Welle oder ein herkömmliches Lager zu berühren, können sich auch ein anderes Lager mit einer lokal nachgiebigen Fläche berühren.
Die äußeren zylindrischen Flächen der Ausführungsformen in sowohl 3 als auch 4 haben Lagerungselemente, die linear und nicht rechtwinklig zu dem Grundteil sind. Die inneren zylindrischen Flächen 32 der Ausführungsformen der 2 und 3 haben "Hundebein"-förmige Lagerungselemente, deren distaler Bereich 62 etwas rechtwinklig mit dem Grundteil 30 ausgerichtet ist. Der erste Bereich 60 der Hundebein-Elemente hat einen im wesentlichen konstanten Querschnittsflächenbereich, welcher Zwischenräume 56 zwischen den Lagerungselementen erzeugt, welche an Stellen näher an dem Grundteil 30 einen größeren Querschnittsflächenbereich haben. Dies führt zu einem größeren Raum zum Halten loser Partikel 42, die darin deponiert werden können. Während diese Lager mit bestimmten lokal nachgiebigen Flächen 40 dargestellt sind, können sie auch lokal nachgiebige Oberflächen gemäß anderen Aspekten der Erfindung aufweisen.
Die in den 2 bis 4 dargestellten Ausführungsformen zeigen unterschiedliche Ausführungsformen von Lagerungselementen; diese Lagerungselemente können jedoch auf viele verschiedene Arten und Weise gestaltet sein. Außerdem ist es im allgemeinen bevorzugt, viele sehr kleine Lagerungselemente zu haben, die die lokal nachgiebige Oberfläche aufweisen. Anwendungen mit bestimmten Belastungsanforderungen oder Anwendungen, bei denen erwartet werden muss, dass sie größeren losen Partikeln ausgesetzt sind, können jedoch von weniger und/oder größeren Lagerungselementen profitieren. Darüber hinaus können die mit dem Erzeugen vieler kleiner Lagerungselemente im Zusammenhang mit stehenden Kosten einige andere Ausführungsformen wünschenswert machen. In einer Ausführungsform haben die Lagerungselemente einen quadratischen Querschnittsflächenbereich von ungefähr 0,4, mal 0,4 mm an ihrem distalen Ende, in anderen Ausführungsformen können die distalen Enden Querschnittsflächenbereiche bis zu 2 mm mal 2 mm haben. Außerdem sind die meisten Lagerungselemente drei- bis fünfzehnmal so lang wie sie breit sind. Andere geeignet bemessene Lagerungselemente können verwendet werden, da die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt ist.
In einer Ausführungsform ist, wie in 8A dargestellt, das Lagerungselement als ein "Hundebein" ausgebildet mit einem ersten linearen Bereich 60 und einem zweiten distalen linearen Bereich 62. Jeder dieser linearen Bereiche 62 kann rechtwinklig zu dem Grundteil 30 ausgerichtet sein, oder sie können auch beide nicht rechtwinklig zu dem Grundteil sein. Der Querschnittsflächenbereich des ersten und des zweiten Bereichs des Hundebeins kann von identischer Länge und identischen Querschnittsflächenbereich sein, oder einer kann größer sein als der andere in zumindest einer Hinsicht. Wo das Ende 64 eines Lagerungselements nicht rechtwinklig zu der Basis 30 ist, kann eine keilförmige Seite 66 des Endes hilfreich sein, um lose Partikel 42 zwischen den Lagern zu entfernen, indem sie weg von den Lagern und in die Zwischenräume 56 hineingezwungen werden. Die Seite 68 des Endes, welche einen spitzen Winkel mit dem gegenüberliegenden Lager bildet, kann nützlich sein beim Fördern der Biegung eines Lagerungselements 28, wenn ein loses Partikel 42 zwischen dem gegenüberliegenden Lager und dem Ende 64 verkeilt wird. Die Konfiguration der keilförmigen Seite und der Seite, die einen spitzen Winkel bildet, kann auch gebildet sein durch Abrunden oder Anfasen der Seiten eines Lagerungselements 28, in dem die Lagerungselemente auf verschiedene Art und Weisen angeordnet werden, da die Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt ist.
8B zeigt ein Lagerungselement mit einem variierenden Querschnittsflächenbereich. Ein variierender Querschnittsflächenbereich kann dabei helfen, eine Biegecharakteristik zu erzielen, die für eine bestimmte Anwendung gewünscht wird. Dadurch kann es auch möglich werden, dass das Ende 64 eines Lagerungselements im Querschnittsflächenbereich wächst, wenn es einen Verschleiß durch einen verlängerten Kontakt mit dem gegenüberliegenden Lager erfährt. Wenn das Ende 64 durch Verschleiß abgetragen wird, so dass die Länge des Lagerungselements abnimmt, wird der entsprechende Flächenbereich 70 des distalen Endes zunehmen. Wenn dies bei mehreren Lagerungselementen geschieht, wird der Flächenbereich der lokal nachgiebigen Oberfläche insgesamt ansteigen. Dieser Anstieg des Flächenbereichs wird den Kontaktdruck reduzieren, der von jedem Lagerungselement erfahren wird, was wiederum die Verschleißrate reduzieren kann, die danach erfahren wird. Die Lagerungselemente können immer noch die gegenüberliegende Oberfläche lagern, obwohl ihre Länge abnimmt, weil sie eine Tendenz haben, sich in Richtung der gegenüberliegenden Oberfläche zu verbiegen, teilweise aufgrund ihrer einseitig eingespannten und gewinkelten Anordnung.
Weitere Ausführungsformen von Lagerungselementen 28 sind in den 8C und 8D dargestellt. Die 8C zeigt ein Lagerungselement, das nicht rechtwinklig zu dem Grundteil 30 ausgerichtet ist, während 8D ein Lagerungselement mit einer bogenförmigen Gestalt 72 aufweist. Das distale Ende dieser Lagerungselemente kann so angeordnet sein, dass es sich von dem Grundteil auf rechtwinklige oder nicht rechtwinklige Art und Weise erstreckt. Die bogenförmige Gestalt 72 kann eine konstante Krümmung oder alternativ eine zusammengesetzte Krümmung aufweisen, wie dies für eine bestimme Anwendung geeignet ist. Die Lagerungselemente 28 aller hier beschriebenen Ausführungsformen können in Verbindung mit anderen identisch gestalteten Lagerungselementen verwendet werden, oder sie können auch mit irgendeiner Kombination aus Lagerungselementen verwendet werden, die von dieser Erfindung beschrieben oder angedacht sind. Obwohl verschiedene Beispiele der Gestalten der Lagerungselemente dargestellt sind, ist die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt, da auch andere geeignete gestaltete Lagerungselemente verwendet werden können. Die Lagerungselemente können sich auch von dem Grundteil aus in jeder geeigneten Richtung erstrecken, vorausgesetzt, dass das distale Ende sich bewegen kann, um alle möglichen Rauhigkeiten oder Partikel unterzubringen. Obwohl in bestimmten Ausführungsformen die Lagerungselemente in bestimmten Winkeln θ relativ zu dem Grundteil dargestellt sind, kann jeder Winkel eingesetzt werden, solange sich die Lagerung bewegen kann, beispielsweise verbiegen kann in Richtung der gegenüberliegenden Oberfläche und weg von dieser.
Jedes dieser Lagerungselemente kann mit einer breiten Vielzahl von Materialien ausgestaltet sein, einschließlich, aber nicht begrenzt auf Metalle, wie beispielsweise Aluminium, Bronze, Messing, Stahl, Titan, Nickel oder auch Nichtmetalle wie beispielsweise Polymere, Elastomere, Nylon oder Komposit-Materialien, da die Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt ist, vorausgesetzt, dass das Material die gewünschten Biegeeigenschaften bietet.
Verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können hergestellt werden durch irgendein geeignetes Verfahren. Jedes dieser Verfahren kann verwendet werden, um lokal nachgiebige Oberflächen mit bestimmten Eigenschaften zu erzeugen, welche sich aus einer Mischung von unterschiedlichen Geometrien von Lagerungselementen ergeben, die verwendet werden, unterschiedlichen Materialien von Lagerungselementen oder auch dem Abstand zwischen den Lagerungselementen.
In einer Ausführungsform sind, wie in den 2–4 dargestellt, mehrere dünne unterlegscheibenartige Scheiben oder Platten 74 nebeneinander gestapelt, um das Lager zu bilden, einschließlich der Lagerungselemente. Das Ausbilden des Lagers aus einem Stapel 82 dünner Platten 74 ist eine Art und Weise, bestimmte Vorteile zu erzielen. Beispielsweise kann die Konfiguration von aus solchen gestapelten Platten gemachten Lagern einfach angepasst werden. Ein Gestalter kann einfach ein Lager konfigurieren durch Anordnen einer Konstruktion von bereits ausgestalteten dünnen Plattenstrukturen 74. Für eine bestimmte Anwendung, wo eine bestimmte Länge des Lagers oder eine andere Dimension gewünscht wird, braucht der Gestalter dann nur zu entscheiden, wie viele dünne Platten 74 notwendig sind, um die bestimmte Länge zu erzielen, und welche Art von Lagerungselementen 28 die Platten haben sollen. In diesen Ausführungsformen können, wie auch in anderen, Platten 74 mit verschiedener Dicke, Platten 74 aus unterschiedlichen Materialien und/oder Platten mit unterschiedlichen Arten oder Gestalten von Lagerungselementen 28 gemischt werden, um insgesamt unterschiedliche Eigenschaften des Lagers zu erzeugen. Beispielsweise kann, wenn die den äußersten Platten 78 zugeordneten Lagerungselemente flexibler sind, es der Welle 20 ermöglicht werden, dass sie sich um eine Achse verbiegt, die nicht die Mittelachse der Welle ist. Dieser Effekt kann wünschenswert sein in manchen Anwendungen. In anderen Anwendungen kann der entgegengesetzte Effekt gewünscht werden, wo Platten mit steiferen Lagerungselementen in der Nähe der Außenkanten 80 des Lagers platziert werden können, um solche Bewegungen zu verhindern. Lokal nachgiebige Lager aus anderen Herstellverfahren können die gleichen Effekte erzielen.
Die 2–4 zeigen benachbarte Platten mit ähnlichen Lagerungselementen an ihren Seiten, die aber so gestapelt sind, dass sich die Lagerungselemente 28 in entgegengesetzten Richtungen erstrecken. Diese alternative Konfiguration von Lagerungselementen erzeugt eine Matrix von Lagerungselementen, welche sich von dem Grundteil 30 aus in unterschiedlichen Richtungen erstrecken. Diese bestimmte Konfiguration meint, dass ein Lagerungselement 28, das sich in Richtung einer benachbarten Platte biegt, in diesem Fall wahrscheinlich ein anderes Lagerungselement berühren wird, nachdem es sich um einen kurzen Abstand verbogen hat. Wenn es sich in einer Richtung parallel zu der Richtung der Platten verbiegt, kann es sich eventuell um einen größeren Abstand bewegen. Auf diese Art und Weise können die Lagerungselemente 28 dazu ausgestaltet sein, sich in unterschiedlichen Richtungen verschieden zu bewegen. Ähnliche Ergebnisse können erzielt werden, indem die Querschnittsgestalt der Lagerungselemente modifiziert wird. Beispielsweise wird ein rechteckiger Querschnitt unterschiedliche Biegeeigenschaften in den verschiedenen Richtungen rechtwinklig zu seinen Kanten 80 haben. Natürlich ist die vorliegende Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt, da sich die Lagerungselemente auch in der gleichen Richtung erstrecken können.
Während die Ausführungsformen der 2–4 mit einem Stapel dünner Platten gezeigt sind, von denen sich jeweils Lagerungselemente 28 erstrecken, können andere Ausführungsformen zwischen den einzelnen Platten nicht dargestellte Abstandsplatten beinhalten. Der gleiche Effekt kann erzielt werden in Ausführungsformen, die durch andere Techniken hergestellt werden, indem einfach ein Raum auf allen Seiten jedes Lagerungselements erzeugt wird. In solchen Ausführungsformen können sich die Lagerungselemente 28 eventuell einfacher in bestimmten Richtungen verbiegen. Die Ausführungsform der 6 hat Zwischenräume 56, die auf vier Seiten der Lagerungselemente 28 angeordnet sind. Andere Ausführungsformen können so angeordnet sein, dass die Zwischenräume sich kontinuierlich von einer Kante des Lagers zu einer gegenüberliegenden Kante des Lagers erstrecken. Eine solche Anordnung kann einen einfacheren Zugang zu den Zwischenräumen zu dem Herausreinigen von angesammelten Partikeln schaffen.
Bestimmte Vorteile sind beschrieben worden, wie sie bei bestimmten Ausführungsformen vorliegen, die einen Stapel dünner Platten aufweisen. Die gleichen Vorteile und andere können aber auch erzielt werden mit lokal nachgiebigen Strukturen, die durch andere Techniken hergestellt wurden. Einige dieser Techniken beinhalten das Ausgestalten einer lokal nachgiebigen Oberfläche insgesamt oder teilweise durch Entfernen von Material von einer monolithischen Struktur durch beispielsweise Bearbeiten, Draht-EDM, Abscheren, Laserschneiden oder Wasserschneiden, um nur einige zu nennen. Durch andere Herstellverfahren kann eine lokal nachgiebige Oberfläche ausgebildet werden an einer Stelle durch einen Vorgang zum Hinzufügen von Material, wie beispielsweise die Stereo-Lithographie, 3D Druck oder Gießen, um nur einige zu nennen. Andere Ausführungsformen können auch ausgebildet werden durch Stanzen oder Verbiegen von Materialien. Die verschiedenen Ausführungsformen, die von der Erfindung beschrieben und angedacht werden, können auch eine Anordnung von Komponenten aufweisen, die die lokal nachgiebige Oberfläche definieren, wie beispielsweise die dünnen Plattenstrukturen. Ein anderes Beispiel einer lokal nachgiebigen Oberfläche, welche aus einer Anordnung von Elementen gebildet ist, beinhaltet eine Ausführungsform, wo die Lagerungselemente an einem Grundteil durch separate Elemente angebracht werden. Diese Elemente können aus Gummi, Plastik oder irgendeinem anderen geeigneten Material sein und im Grunde das Element sein, das eine Biegung der Lagerungselemente ermöglicht, wie noch diskutiert werden wird. Während einige wenige Herstellverfahren diskutiert worden sind, können auch andere geeignete Verfahren verwendet werden, da die Erfindung nicht auf irgendeine der hier diskutierten Konfigurationen oder Verfahren beschränkt ist.
9 ist eine schematische Ansicht eines Linearlagers 86 gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung. Das Lager 86 weist einen U-förmigen Querschnitt 84 auf, um eine Translation in einer Richtung zu führen; andere Ausführungsformen können aber auch einfach ein ebenes Lager aufweisen, so dass die Objekte 87, 89 relativ zueinander in mehreren Richtungen translatorisch beweglich sind, da die Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt ist. Wie es auch bei dem zylindrischen Lager 24 der Fall ist, kann das Linearlager 86 fest an irgendeinem der Objekte 87, 89 angebracht sein oder äquivalent auch so ausgebildet sein, dass es zwischen den beiden Objekten schwimmen kann. Das Linearlager 86 kann auch ein Paar von Lagern aufweisen, die jedes an einem der Objekte angebracht sein. Die Linearlager 86 können so ausgestaltet sein, dass sie einen kontinuierlichen oder auch unterbrochenen Kontakt zwischen den Objekten 87, 89 wahrnehmen. Mit dem unterbrochenen Kontakt kann beispielsweise das erste Objekt in einer Anwendung sein, wo es vollständig von dem zweiten Objekt durch eine translatorische Bewegung an einer der Kanten vorbei heruntergleitet, oder es kann eine Anwendung sein, wo es vertikal von dem Lager abgehoben wird.
Alle mit den zuvor diskutierten Ausführungsformen in Zusammenhang stehenden Merkmale können auch in eine Linearlager-Konfiguration hinein vorgesehen werden und umgekehrt. Beispielsweise weist die in 10 dargestellte Ausführungsform eine Vielzahl von gestapelten Platten 74 auf, die jeweils mehrere Lagerungselemente 28 haben, die ein Linearlager mit einer lokal nachgiebigen Oberfläche 40 bilden. Das Lager ist gegenüber einem herkömmlichen Lager 48 dargestellt, obwohl es auch einer anderen lokal nachgiebigen Oberfläche 40 gegenüberliegen könnte. Das in 10 dargestellte Lager kann eine Translation oder Rotation in jeder Richtung parallel zu seiner lokal nachgiebigen Oberfläche ermöglichen. Andere Ausführungsformen können Merkmale beinhalten, um diese Bewegung zu beschränken oder eine zusätzliche Bewegung zuzulassen. Eine solche zusätzliche Bewegung kann das Verkippen eines Lagers 86 relativ zu dem anderen beinhalten.
Die die Lager bildenden Platten können aneinander mit jeder geeigneten Technik angebracht sein. In einer Ausführungsform können, wie in 10 dargestellt, Öffnungen 88 in jeder der Platten 74 einen Dübel, einen Nieten oder eine Schraube aufnehmen, um die Platten auszurichten und/oder aneinander zu arretieren. Andere Merkmale wie Ansätze, Ausnehmungen an einer Kante der dünnen Platten, Vorsprünge an der Seite der dünnen Platten oder selbst Haftmittel, Schweißnähte oder Stangen können verwendet werden, um die Platten anzubringen, da die Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt ist. Während die Platten 74 mit einem Arretiermerkmal dargestellt sind, das verwendet werden kann, um diese zusammenzuhalten, ist es in anderen Anwendungen eventuell nicht erforderlich, dass die Platten 74 aneinander befestigt sind. Einige Anwendungen können sogar eine Relativbewegung der Platten 74 zueinander während des Betriebs ermöglichen. Noch andere Anwendungen können lokal nachgiebige Oberflächen aufweisen, die aus einem einzelnen Stück Material gemacht sind, wodurch die Notwendigkeit vermieden wird, Platten aneinander anzubringen, da die Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt ist.
11 zeigt eine noch andere Ausführungsform einer lokal nachgiebigen Fläche 40. Hier ist die Ausführungsform der 2 mit Nuten 90 dargestellt, die schraubenförmig gestaltet sein können, angeordnet an der lokal nachgiebigen Oberfläche. Diese Nuten sind eine Art von Partikelfalle, die dabei helfen kann, lose Partikel 42 aus dem Raum zwischen den Lagern zu entfernen. Wenn sich eine Welle 20 relativ zu der lokal nachgiebigen Fläche dreht, können alle Partikel 42 in die Nut 90 hineinfallen und werden anschließend gefangen werden oder aus einer Seite des Lagers 24 herausgedrückt werden für die Entsorgung. Solche Nuten helfen dabei, Fremdkörper 42 zu entfernen, die zu groß sind, um in die Zwischenräume 56 zwischen den Lagerungselementen 28 hineinzupassen. Während die Nut als Schraube dargestellt ist, die sich kontinuierlich von einer Seite zu der anderen erstreckt, ist sie nicht auf diese Konfiguration beschränkt. Die Nut 90 kann auch linear sein oder irgendeine andere Gestalt aufweisen, die dazu dient, Partikel 42 zu entfernen, die zwischen den Lagern vorgesehen sind, da die Erfindung nicht auf irgendeine bestimmte Gestalt beschränkt ist. Außerdem brauchen sich die Nuten nicht komplett von einer Seite des Lagers zu einer anderen zu erstrecken. Beispielsweise kann eine Nut 90 in der Nähe der Mitte beginnen und sich in Richtung nur einer Seite erstrecken, oder es können auch mehrere Nuten vorgesehen sein, die sich von der Nähe der Mitte der Fläche in Richtung abwechselnder Seiten des Lagers erstrecken. Während die Nut 90 in Zusammenhang mit einem zylindrischen Lager 24 dargestellt ist, kann sie auch in Linearlagern 86 oder in irgendeiner anderen Lagerkonfiguration vorhanden sein, da die Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt ist.
12 zeigt eine Konfiguration eines Lagers, das mit einem Verfahren anders als die gemäß den 2–4, 10 und 11 hergestellt ist. Dieses Lager 24 hat keine mehreren gestapelten Platten 74, sondern nur ein massives monolithisches Stück Material, in welchem mehrere Lagerungselemente 28 ausgebildet sind, um eine lokal nachgiebige Oberfläche 40 zu bilden. Die lokal nachgiebige Oberfläche dieses Lagers ist ausgebildet durch Schneiden verschiedener Nuten 92 parallel zu der Mittelachse des Zylinders. Verschiedene Scheiben 94 sind auch gemacht rechtwinklig zur Mittelachse des Zylinders, so dass sie diese Nuten schneiden und verschieden Lagerungselemente 28 erzeugen, welche sich einwärts des Grundteils 30 erstrecken. In dieser besonderen Ausführungsform weist die lokal nachgiebige Oberfläche 40 nicht die gesamte innere Fläche 32 auf, sondern nur einen Bereich dieser Fläche. Andere Ausführungsformen können gemacht werden, die die gesamte innere Fläche aufweisen, irgendeinen Bereich der äußeren Fläche 46 oder für irgendeine Oberfläche anderer Arten von Lagern, die gewünscht sind. Diese bestimmte Ausführungsform eines Lagers kann in einer Anwendung verwendet werden, wo eine Belastung nur in einer Richtung aufgebracht wird. In diesem Fall weist die gegenüberliegende innere Seite 96 des Lagers eine herkömmliche Lagerfläche auf, auf die keine signifikante Last einwirkt. Die äußere zylindrische Fläche 46 dieser Ausführungsform beinhaltet eine Keilnut 98 zum Arretieren der Orientierung des Lagers zu dem Objekt, in welches hinein es montiert ist. Diese Keilnut, oder andere Merkmale, die die gleichen Effekte erzielen, kann in andere Ausführungsformen der Erfindung hinein gearbeitet werden, da die Erfindung in dieser Hinsicht nicht beschränkt ist.
Die 13 zeigt die Ergebnisse eines Tests, der sowohl mit einem Lagerprototypen mit einer lokal nachgiebigen Oberfläche ähnlich der in 12 dargestellten und mit einem herkömmlichen Lager ausgeführt wurde. Sowohl der Prototyp als auch das herkömmliche Lager wurden aus dem gleichen Aluminium-Bronze-Legierungsmaterial hergestellt. Eine Nennlast von 500 Newton wurde gegen jedes Lager aufgebracht durch eine Welle, die aus gehärtetem 1060 Stahl hergestellt wurde, welche innerhalb jedes Lagers gedreht wurde. Ein mit der Reibung im Zusammenhang mit stehendes Drehmoment wurde für jedes Lager gemessen, während der Test ausgeführt wurde. 13 zeigt das jedem Lager zugeordnete Drehmoment, wie es sich mit der Zeit verändert, in welcher der Test ausgeführt wurde. Der mit dem Lager der 1 im Zusammenhang stehende Reibungsdrehmomentwert verblieb in jedem Testlaut im wesentlichen konstant über die Zeit. Das mit dem herkömmlichen Lager in Verbindung stehende Reibungsdrehmoment stieg jedoch dramatisch nach einem relativ kurzen Zeitraum an. Dieser Anstieg steht im Zusammenhang mit einem übermäßigen Verschleiß, einer Interaktion von Rauhigkeiten oder anderen Unregelmäßigkeiten und schließlich dem Ausfall der herkömmlichen Lager. Andere Tests wurden ausgeführt, wo eine Sandmischung aus Partikeln von einem Durchmesser von weniger als 0,4 mm sowohl der herkömmlichen als auch der Prototyp-Buchse hinzugefügt wurde. In diesem Test ist das Reibungsdrehmoment des Lagers der 12 tatsächlich angestiegen; das Lager ist aber nicht ausgefallen. Das herkömmliche Lager gab unmittelbar nach der Hinzufügung der Sandmischung nach.
14 zeigt eine andere Ausführungsform eines Lagers, das aus einer Anordnung von Elementen ausgebildet ist. Die gegenüberliegende Lagerfläche in diesem Beispiel weist eine herkömmliche Welle 20 auf. Das zylindrische Lager beinhaltet eine Reihe von lasttragenden Lagerungselementen 28, die in einer elastomerischen Verbindung 100 vorgesehen sind (beispielsweise einem synthetischen Gummi, Neopren, flexiblem Plastik etc.). In einer Ausführungsform sind die Lagerungselemente in die elastische Verbindung hinein gießgeformt. Diese elastomerische Verbindung ist auch mit einem massiven äußeren Grundteil 30 wie beispielsweise einer Metallröhre verbunden. Eine lokale Nachgiebigkeit kann erzielt werden in einer solchen Ausführungsform, bei welcher die Lagerungselemente 28 in Winkeln angeordnet werden oder wenn die Lagerungselemente rechtwinklig zu der Welle 20 angeordnet werden. Die elastomerische Verbindung 100 kann flexibel sein und ein bisschen kompressibel, so dass jede, Lagerung unabhängig von den umgebenden Lagerungselementen beweglich ist, so dass die lokale Nachgiebigkeit erzielt wird. Diese Art von Ausgestaltung kann für extrem hohe Belastungen gemacht werden, da die Größe des Lagerungselements sehr klein sein kann, so dass viele Lagerungselemente und entsprechende Kontaktpunkte möglich sind. Außerdem kann die Belastung an jedem Lagerungselement 28 über einen größeren Flächenbereich als in anderen Ausführungsformen verteilt werden, da der Querschnittsflächenbereich der Lagerungselemente einen größeren Flächenbereich des Grundteils 30 oder der elastomerischen Verbindung 100 berühren kann. Das heißt, der Flächenbereich des Lagerungselements ist das Π-fache des Durchmessers des Stiftes zum Quadrat, aber der Bereich, über welchen hinüber das Lagerungselement 28 mit dem Grundteil 30 verbunden ist, kann der Durchmesser der Lagerungs 28 welle mal der Länge des eingebetteten Lagerungselements 28 sein.
Andere Ausführungsformen der Erfindung können lokal nachgiebige Oberflächen beinhalten, die auf Wälzkontaktlager angewandt sind. Während solche Lager hauptsächlich für einen Wälzkontakt ausgestaltet sind, haben sie auch eine Gleitkomponente der Reibung und des Verschleißes auf einer Mikrostufe. Geeignete Anwendungen von lokal nachgiebigen Oberflächen können an Wälzkontaktflächen verwendet werden, um Verschleiß und Reibung zu reduzieren sowie möglicherweise die Systeme robuster und widerstandsfähig gegen eine Stoßbelastung zu machen.

Claims

Kontaktlager (24) zum Ausgleichen von Unregelmäßigkeiten, Schroffheiten oder losen Partikeln, welches Lager eine Basis (30) aufweist sowie mehrere einseitig eingespannte Stützelemente (28) in einer matrixartigen Anordnung, jeweils mit einem ersten Ende (34), das direkt oder indirekt an der Basis angebracht ist, und einem zweiten, freien Ende (36), das von der Basis beabstandet ist, wobei das zweite Ende für einen Gleitkontakt mit einer gegenüberliegenden Lagerfläche (20) aufgebaut und angeordnet ist, wobei die mehreren Stützelemente dazu aufgebaut und angeordnet sind, die gegenüberliegende Lagerfläche zu stützen, und jedes zweite Ende dazu aufgebaut und angeordnet ist, sich so zu bewegen, dass es Unregelmäßigkeiten, Schroffheiten oder lose Partikel (44) ausgleicht, die sich zwischen dem zweiten Ende und der gegenüberliegenden Lagerfläche befinden könnten.
Kontaktlager nach Anspruch 1, wobei die Stützelemente außerdem so aufgebaut und angeordnet sind, dass sie eine gegenüberliegende Fläche in einem im wesentlichen festen Abstand von der Basis stützen, und wobei, wenn zumindest eines der mehreren Stützelemente sich bewegt, die anderen Stützelemente die gegenüberliegende Fläche im wesentlichen in dem festen Abstand halten.
Kontaktlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter mit mehreren Platten (74), die in einer gestapelten Anordnung (82) so angeordnet sind, dass eine Oberfläche einer Platte angrenzend an eine Oberfläche einer anderen Platte angeordnet ist, und wobei jede Platte zumindest einen Bereich der Basis aufweist und die mehreren Stützelemente, die sich von der Basis aus erstrecken.
Kontaktlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die mehreren Stützelemente mehrere beabstandete Stützelemente aufweisen, die Lücken zwischen sich definieren, wobei zumindest einige der Stützelemente angrenzend an zumindest drei Lücken sind.
Kontaktlager nach Anspruch 4, weiter mit einem elastischen Element (58), das in zumindest einigen der Lücken vorgesehen ist.
Kontaktlager nach Anspruch 4, weiter mit einem Schmiermittel (58), das in zumindest einigen der Lücken vorgesehen ist.
Kontaktlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jedes Stützelement integral mit der Basis ausgeformt ist.
Kontaktlager nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Basis eine starre Basis (30) und ein elastomeres Element (100) aufweist, und wobei die mehreren einseitig eingespannten Stützelemente von dem elastomerischen Element der Basis gestützt sind.
Kontaktlager nach Anspruch 8, wobei die mehreren einseitig eingespannten Stützelemente von der starren Basis beabstandet sind.
Kontaktlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jedes Stützelement eine erste Flexrichtung mit einer ersten Flexeigenschaft und eine zweite Flexrichtung mit einer zweiten Flexeigenschaft hat, wobei die erste und die zweite Flexeigenschaft im wesentlichen gleich sind.
Kontaktlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Basis zylindrisch ist und die Stützelemente sich einwärts von der Basis erstrecken.
Kontaktlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Basis zylindrisch ist und die Stützelemente sich auswärts von der Basis erstrecken.
Kontaktlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Basis zylindrisch ist und ein erster Satz der mehreren Stützelemente sich einwärts von der Basis erstreckt und ein zweiter Satz der mehreren Stützelemente sich auswärts von der Basis erstreckt.
Kontaktlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Basis planar ist.
Kontaktlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der mehreren Stützelemente linear ist.
Kontaktlager nach Anspruch 15, wobei das zumindest eine lineare Stützelement sich senkrecht von der Basis aus erstreckt.
Kontaktlager nach Anspruch 15, wobei das zumindest eine lineare Stützelement sich nicht rechtwinklig von der Basis aus erstreckt.
Kontaktlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der mehreren Stützelemente nicht linear ist (72).
Kontaktlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest eines der mehreren Stützelemente einen ersten Bereich (60) und einen zweiten Bereich (62) aufweist, wobei sich der erste Bereich in einer Linie erstreckt, die nicht rechtwinklig zu der Basis verläuft, und der zweite Bereich sich von dem ersten Bereich aus in einer Linie erstreckt, die rechtwinklig zur Basis verläuft.
Kontaktlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jedes Stützelement einen Querschnittsflächenbereich aufweist, der entlang einer Länge des Stützelements variiert.
Kontaktlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, weiter mit einer Nut (90), die durch einen Bereich der zweiten Enden der Stützelemente definiert ist, wobei die Nut aufgebaut und angeordnet ist, um Partikel von dem Kontaktlager zu entfernen.
Kontaktlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jedes Stützelement einen im wesentlichen quadratisch geformten Querschnittsflächenbereich von weniger als ungefähr 0,4 × 0,4 mm hat.
Kontaktlager nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei jedes Stützelement einen im allgemeinen quadratisch geformten Querschnittsflächenbereich von weniger als 0,2 × 0,2 mm hat.
Kontaktlager nach einem der vorangehenden Ansprüche, in Kombination mit der gegenüberliegenden Lagerfläche.
Kombination nach Anspruch 24, wobei die gegenüberliegende Lagerfläche eine zylindrische Welle aufweist.
Kombination nach Anspruch 25, wobei die Welle sich relativ zu dem Lager dreht.
Kontaktlager nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder einem der Ansprüche 11 bis 26, wenn abhängig von einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei jedes Stützelement eine erste Flexrichtung mit einer ersten Flexeigenschaft und eine zweite Flexrichtung mit einer zweiten Flexeigenschaft hat, wobei die erste und die zweite Flexeigenschaft im wesentlichen unterschiedlich sind.
Verfahren zum Ausgleichen von Unregelmäßigkeiten, Schroffheiten oder losen Partikeln in einem Kontaktlager (24), mit den folgenden Schritten: Vorsehen einer matrixartigen Anordnung von mehreren Stützelementen (28); die eine erste Gleitkontaktlagerfläche in direktem Kontakt mit einer zweiten Gleitkontaktlagerfläche definieren, Vorsehen einer Basis (30), um daran die mehreren Stützelemente anzubringen, die die erste Gleitkontaktlagerfläche definieren, so dass die mehreren Stützelemente sich von dort aus erstrecken, und Flexen bzw. Verbiegen zumindest eines der mehreren Stützelemente bezüglich der zweiten Gleitkontaktlagerfläche so, dass zumindest eine der ersten Gleitkontaktlagerflächen sich außer direktem Kontakt mit der zweiten Gleitkontaktlagerfläche bewegt, um irgendwelche Unregelmäßigkeiten, Schroffheiten oder lose Partikel zwischen der ersten und der zweiten Oberfläche auszugleichen.
Verfahren nach Anspruch 28, weiter mit dem Schritt des Beibehaltens eines im wesentlichen konstanten Abstands zwischen der Basis und der zweiten Lagerfläche.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei außerdem Partikel zwischen der ersten und der zweiten Gleitkontaktlagerfläche entfernt werden, und es den Partikeln ermöglicht wird, sich in den durch die erste Gleitkontaktlagerfläche definierten Spalten zu befinden oder sich durch diese hindurch zu bewegen.