DE965772C - Aerodynamisches Gleitlager fuer hohe Umdrehungszahlen - Google Patents

Description

• Aerodynamisches Gleitlager für hohe Umdrehungszahlen Die Erfindung bezieht sich auf ein aerodynamisches Gleitlager für hohe Umdrehungszahlen, bei denen die Schmierung durch einen Gas-, insbesondere Luftfilm erfolgt, der sich bei hoher Umlaufgeschwindigkeit im Spalt zwischen Zapfen und Schale von selbst ausbildet und auf dem der Zapfen dann schwimmt.
• Es ist schon lange erkannt worden, daß derartige aerodynamische Lager mit außerordentlich geringen Reibungsverlusten arbeiten können, sobald die hohe Drehzahl erreicht ist, bei welcher der Zapfen im Luftspalt zu schwimmen beginnt. Trotz dieses zu erwartenden Fortschrittes gelang es bisher nicht, derartige Lager in der Praxis anzuwenden. Dies ist wohl hauptsächlich darauf zurückzuführen, daß es bisher an einem Vorschlag für eine einfache und zuverlässige Bauart eines derartigen luftgeschmierten Lagers fehlte, das sowohl im Dauerbetrieb als auch besonders beim Anlauf und Auslauf den jeweils vorkommenden Belastungen gewachsen ist. Um diesen Schwierigkeiten abzuhelfen., wurde schon vorgeschlagen, dem Lagerspalt Preßluft oder ein anderes geeignetes vorgespanntes Gas während der ganzen Betriebsdauer des Lagers, also auch über die Anlauf- und Auslaufzeiten, über eine Ringnut zuzuführen, so daß der Wellenzapfen auch im Ruhezustand gewissermaßen auf dem Druckluftpolster schwimmen soll. Bei diesem bekannten Vorschlag ist entweder ein Preßlufterzeuger oder ein Behälter erforderlich, in dem Druckgas aufgespeichert ist. Außerdem müssen Leitungen verlegt und Kanäle im Lager selbst vorgesehen werden. Dadurch wird die Lagerausbildung verteuert und vergrößert. Außerdem läßt sich dieser Vorschlag auch deshalb nicht allgemein anwenden, weil nicht in allen Fällen gespanntes Gas oder Druckluft zur Verfügung steht.
• Eine einfachere, aber trotzdem sicher wirkende Lagerausbildung ergibt sich demgegenüber gemäß der Erfindung dadurch, daß entweder der Zapfen oder die Schale oder beide Teile aus nichtmetallischem Werkstoff, wie Graphitkohle oder keramischem Stoff, insbesondere Sinterkorund, hergestellt sind.
• Die Zeichnung zeigt fünf Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes.
• Das aerodynamische Gleitlager, veranschaulicht in Abb. I, besteht genau wie das hydrodynamische Gleitlager aus Lagerkörper a mit Lagerschale b und Welle c, welche in der Lagerschale rotiert. Der Luft-oder Gasfilm ist mit d bezeichnet.
• Die in Abb. I dargestellte Lagerkonstruktion überträgt nur Radialkräfte (Traglager). Da die Tragfähigkeit infolge der sehr geringen Luftreibung erst bei höheren Touren einsetzt, ist es erforderlich, den unteren Tourenbereich durch Trockengleitlager-Werkstoffe (z. B. Graphitkohle, Steine od. ä.) zu überbrücken. Bei dem in Abb. I dargestellten Lager besteht die Welle c aus gehärtetem Stahl, geschliffen, geläppt und poliert. Die Lagerschale b besteht aus Graphitkohle, geschliffen und poliert, einem bekannten Trockenlagerwerkstoff.
• Aerodynamische Gleitlager verlangen erheblich höhere Gleitgeschwindigkeit als hydrodynamische Gleitlager.
• Aus diesem Grund kann der Lagerdurchmesser trotz größerer Umdrehungszahl größer ausgeführt werden als der Wellendurchmesser, während bei hydrodynamischen Gleitlagern die Lagerzapfen dünner gehalten werden als die Welle, um die Reibungsverluste und Umfangsgeschwindigkeit klein zu halten.
• Aerodynamische Gleitlager gestatten wesentlich höhere Umläufe pro Minute als Wälzlager und hydrodynamische Gleitlager, arbeiten ruhiger, haben geringere Reibung und ergeben damit auch wesentlich geringere Übertemperaturen.
• Zur Erhöhung der Tragfähigkeit können dieselben Maßnahmen angewandt werden wie bei hydrodynamischen Gleitlagern, z. B. Fördernuten und Preßluft. Abb. 2 zeigt ein Traglager mit Fördernuten e.
• Die Fordernuten wirken wie ein Fördergewinde und versorgen den Luft- bzw. Gasfilm in erhöhtem Maße mit Frischluft bzw. Frischgas, sie fördern Staub aus dem Lager heraus.
• Aerodynamische Gleitlager bedürfen keiner besonderen Wartung, da diese durch die umgebende Luft (das umgebende Gas) oder Preßluft (Preßgas) erfolgt. Sie sind speziell geeignet für rotierende Maschinen, welche auf Grund von Tangentialkräften außer dem Läufergewicht, das radiale Kräfte ausübt, nur Drehmomente ergeben. Für Kolbenmaschinen, die wegen der Kolben und Pleuel nicht hochtourig ausgeführt werden können, sind sie ungeeignet wegen der großen, radial wirkenden Kolbenkräfte und wegen zu geringer Umfangsgeschwindigkeit.
• In Abb. 3 ist ein Traglager dargestellt, das auch axial in Pfeilrichtung x belastbar ist. Das Lager besteht aus dem Lagerkörper a mit Lagerschale b aus Sinterkorund (Stein).
• Die Stahlwelle c ist mit aufgepreßtem Sinterkorundring c' versehen. Der Luft- oder Gasfilm ist mit d bezeichnet.
• Zur Aufnahme der Axialkraft x ist eine Spurplatte i vorgesehen, ebenfalls aus Sinterkorund. Da Sinterkorund ein Nichtleiter ist, bildet sich Reibungselektrizität, welche je nach Tourenzahl Funkenüberschläge von der Welle c zum Lagerkörper a mit ziemlich regelmäßigem Zeitintervall zur Folge hat. Dies führt zu unerwünschter Korrosion. Zur Vermeidung dieser Erscheinung ist eine Massekohle g vorgesehen. Dieselbe befindet sich axial beweglich in dem Massebügel e, der durch Schrauben f mit dem Lagerkörper a leitend verbunden ist. Die Feder h sorgt dafür, daß Kohle g und Achse c stets kraftschlüssig in Berührung bleiben. Die Kohle kann auch, wenn konstruktiv erforderlich, radial angebracht werden.
• Infolge geringerer Luft- oder Gasreibung als Ölreibung beim hydrodynamischen Gleitlager muß der Luft- oder Gasfilm schwächer ausgeführt werden als der Ölfilm beim hydrodynamischen Gleitlager. Damit der Luftfilm trotz seiner geringeren Stärke nicht durchgedrückt wird, ist bei der Konstruktion auf größte Starrheit sowohl der Welle als auch des Gehäuses zu achten.
• Auch darf die Wärmeausdehnung der Welle nicht größer sein als die der Lagerschale.
• Bei Elektromotoren oder bei Maschinen, welche infolge Eigenerwärmung größere Übertemperaturen annehmen, ist deshalb dieselbe Konstruktion zu wählen wie bei der in Abb. 4 dargestellten Schleifspindel. Das heißt, die Achse und die Lagerschalen sind beide aus Sinterkorund zu machen, und die Lagerschalen sind in schwachwandige Lagerkörper einzupressen. Die Lagerkörper sind ohne radiale Rippen mit gleicher Wandstärke auszuführen, weil sonst die Lagerschalenbohrungen urirund werden (bei Erwärmung), was das Ausschalten des Lagerspaltes d zur Folge hätte. Bei einer Lagerkonstruktion nach Abb. 3 für vorerwähnte Maschinen sind auch wegen Wärmeausdehnung die Abmessungen der Stahlwelle, Wandstärke der auf dieser aufgepreßten Buchse, Wandstärke der Lagerschale und Wandstärke des Lagerkörpers so abzustimmen, daß der Lagerspalt bei wechselnder Temperatur konstant bleibt. Desgleichen ist der Lagerkörper, wie vorerwähnt, ohne Rippen auszuführen.
• Bei der Fabrikation ist darauf zu achten, daß die Lagerflächen mit einer Oberflächengüte hergestellt werden, wie sie bei Meßzapfen angewandt wird. Des weiteren muß die Formgenauigkeit ebenfalls derjenigen eines Meßzapfens oder Meßringes entsprechen. Schließlich müssen die Lagerstellen genauestens fluchten. Auch sind Vorkehrungen zu treffen, daß das genaue Fluchten im Betrieb nicht durch Resonanzschwingungen beseitigt wird bzw. daß die an sich schon kleine Lagerluft durch elastische Verformungen beseitigt wird.
• Zwei Beispiele sollen wegen der gewerblichen Anwendungsmöglichkeit angeführt werden, was jedoch nicht heißen soll, da,ß mit diesen beiden Beispielen die gewerbliche Anwendungsmöglichkeit erschöpft ist.
• In Abb. q. ist eine- Schleifspindel für xoo ooo U/min dargestellt. Das Gehäuse aus Stahl ist mit a bezeichnet. In dem Gehäuse befinden sich zwei Sinterkorund-Lagerschalen b fest eingepreßt. In diesen Lagerschalen läuft die Welle c, dieselbe ist vollständig aus Sinterkorund. Der Lagerspalt ist mit d bezeichnet. Auf dem einen Zapfen dieser .Welle c ist das Futter e aus gehärtetem Stahl warm aufgeschrumpft. Mit Gewinde auswechselbar ist, wie üblich, der Schleifsteinhalter g befestigt. Am Außenumfang des Futters e befinden sich vier Flügel f, welche zum Antrieb der Spindel mit Preßluft dienen. An dem anderen Zapfen der Welle c befindet sich eine Rille h, in welcher ein oszillierender Hebel mit einer U-förmigen Graphitkohle eingreift, so daß die Welle c beim Lauf eine oszillierende Bewegung macht. Konstruktiv sei erwähnt, daß das Gehäuse a an den Sitzen der Lagerschalen b so dünnwandig gehalten ist, daß der Luftfilm d in seiner Größe mit schwankender Temperatur nicht beeinflußt wird. Auch sind im Gehäuse a zwei Eindrehungen i angebracht, welche beim Einspannen der Spindel ein mechanisches Verquetschen der Lagerluft verhindern. Da die Welle c ebenfalls wie die Lagerschale b aus Sinterkorund angefertigt ist, bleibt die Lagerluft selbst bei wechselnder Temperatur erhalten. Die Ausführung der Welle aus Sinterkorund hat gegenüber Stahl außer den schon geschilderten lagertechnischen Vorteilen noch folgende Vorteile: Erstens ist der Elastizitätsmodul 2 Ioo ooo etwas höher als bei Stahl, dann beträgt das spezifische Gewicht 3,45 g/cm3 im Vergleich zu 7,8 g/cm3 bei Stahl. Der höhere E-Modul und das geringere spezifische Gewicht ergeben eine höhere Eigenschwingungszahl, das heißt, die Resonanzdrehzahl liegt höher als bei einer Stahlwelle gleicher Abmessungen. Infolge des bei aerodynamischen Gleitlagern erwünschten großen Lagerdurchmessers steigt die Resonanzlage normal, was für den ruhigen Lauf der Welle von großer Wichtigkeit ist.
• Da der Preßluftstrom zum Antrieb in einem spiralförmigen Gehäuse zugeführt wird, ergeben sich nur tangentiale Antriebskräfte. Fabrikatorisch sei erwähnt, daß sowohl die beiden Lagerschalen b, eingepreßt im Gehäuse a, durch Schleifen, Läppen und Polieren absolut fluchtend bearbeitet werden können, was in der gleichen Art für die Welle zutrifft. Der Vorteil gegenüber den heutigen Spindeln mit Kugellagern besteht darin, daß die umgebende Luft mit 1 atü zur Schmierung genügt, während bei Kugellagerspindeln, welche Ioo ooo U/min nicht erreichen, mit Ölnebel geschmiert werden muß. Auch dürfte der ruhigere Lauf sich günstig auf die Schleifgenauigkeit auswirken. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, daß jedes Kugellager infolge Überwalzung der einzelnen Kugeln wie ein Schwingungserzeuger wirkt.
• Als zweites Beispiel sei ein Kreiselkompaß für Flugzeuge erwähnt. Derselbe ist in Abb. 5 dargestellt. In einem Gehäuse a, das mit einem Deckel b und Schrauben c luftdicht verschraubt ist, befindet sich ein Hochfrequenzmotor e, dessen Läufer z. B. 5o oooU/min macht. Der Kurzschlußläufer dieses Motors sei in aerodynamischen Gleitlagern gelagert.
• Der Gasdruck p in dem Gehäuse a bleibt unabhängig von der Steighöhe des Flugzeuges in der Größe erhalten, wie er beim Schließen des Deckels vermittels Einfüllrohr f eingestellt würde, so daß die Tragfähigkeit der aerodynamischen Lager nicht beeinträchtigt wird. Es besteht auch die Möglichkeit, das Gehäuse a mit Preßluft (Preßgas) zu füllen, z. B. Wasserstoff von mehreren atü.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: 1. Aerodynamisches Gleitlager, bei dem die Schmierung durch einen Gas-, insbesondere Luftfilm erfolgt, der sich bei hoher Umlaufgeschwindigkeit im Spalt zwischen Zapfen und Schale von selbst ausbildet und auf dem der Zapfen dann schwimmt, dadurch gekennzeichnet, daß entweder Zapfen oder Schale oder beide Teile aus nichtmetallischem Werkstoff, wie Graphitkohle oder keramischem Stoff, insbesondere Sinterkorund, hergestellt sind.
2. 2. Gleitlager nach Anspruch I mit einem Zapfen, dessen Gleitfläche elektrisch leitend ist und der in einer Schale umläuft, deren Gleitfläche elektrisch nichtleitend ist, aber in einem Gehäuse aus elektrisch leitendem Stoff sitzt, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise die beiden leitenden Teile durch Schleifabnehmer elektrisch verbunden sind, um die Reibungselektrizität mit ihren schädlichen Einwirkungen abzuleiten. In Betracht gezogene Druckschriften Deutsche Patentschriften Nr. 897 778, 728 165, 646 514, 625 216, 499 875, 489 784, 464 649, 325 433; österreichische Patentschrift Nr. 84 394; britische Patentschrift Nr. 548 363; schweizerische Patentschrift Nr. 193 737; schwedische Patentschrift Nr. 129 404; Gümbel, »Einfluß der Schmierung auf die Konstruktion« im »Jahrbuch der Schiffbautechnischen Gesellschaft«, 18. Band, Verlag Springer, Berlin I9I7, S. 236 bis 322; Gümbel-Everling, »Reibung und Schmierung im Maschinenbau«, Berlin 1925, S.131; O. Lasche, »Konstruktion und Material im Bau von Dampfturbinen und Turbo-Dynamos«, Berlin 1921, S. 170 u. 171; Kingsbury, »Experiments with an Airlubricated Journal« in Journ. of the American Society of Naval Engineers, Bd. IX, 1897, S. 267 bis 292; Hirn, »Sur les principaux phenomenes qui presentent les frottements médiats«, Bull. Soc. ind. Mulhouse 26, S. 188 ff. (1854) ; Harrison, »The hydronomical Theory of Lubrication with special Reference to Air as a Lubricant«, Transactions of the Cambridge Philosophical Society Bd. XXII (1913) ; M. C. Shaw und E. F. Macks,- z,Analysis and Lubrication of Bearings«, New York, Toronto, London 1949 S. 329 bis 332.