ITMI981318A1 - Supporto gassoso di un albero a rotazione rapida - Google Patents

Description

Descrizione dell'invenzione industriale dal titolo:

"Supporto gassoso di un albero a rotazione rapida"

Nella domanda di brevetto JP 59-99112(A) viene descritto il concetto fondamentale per la stabilizzazione di un supporto gassoso dinamico. In questo caso i cuscinetti gassosi vengono posti in modo sfalsato tra loro, eccentrico, cosa che comporta un irrigidimento e quindi una stabilizzazione dell’albero a rotazione rapida. I fori del cuscinetto, posizionati in modo eccentrico l’uno rispetto all'altro, si possono realizzare solo in modo molto dispendioso, perché si devono rispettare tolleranze di fabbricazione molto piccole.

Quindi, nella domanda di brevetto principale 197 25 784.4-12 viene descritto un metodo più vantaggioso, dove per mezzo di uno speciale dispositivo di regolazione si ha la regolazione dello spostamento eccentrico dei cuscinetti gassosi senza dovere osservare piccole tolleranze di fabbricazione.

Compito del supporto suddetto è fare girare una parte di una macchina formata da un albero e da una attrezzatura, con un numero di giri maggiore, una maggiore esattezza di andamento, e un migliore sincronismo con un minore dispendio di energia. Il supporto gassoso descritto nelle rivendicazioni del brevetto con un dispositivo di regolazione soddisfa tale compito. Inoltre esso è anche economico e facilmente realizzabile.

Grazie allo spostamento eccentrico dei cuscinetti gassosi tra loro, tra i cuscinetti e l’albero sulla circonferenza della fessura del cuscinetto gassoso (vedi domanda di brevetto) si formano certe dimensioni più strette della fessura. Queste dimensioni più strette della fessura sono responsabili della stabilità e della rigidità del supporto gassoso. Più piccole sono queste dimensioni più strette della fessura, tanto più rigido diventa il supporto e si possono raggiungere numeri di giri dell’albero maggiori prima che subentrino situazioni di instabilità del cuscinetto. Inoltre, rimpicciolendo le dimensioni più strette della fessura, il grado di efficacia del supporto aumenta in modo costante, cioè il supporto richiede sempre meno forza motrice per ottenere una certa rigidità e quindi per fare ruotare in modo stabile una massa prestabilita con un certo numero di giri. Di conseguenza si è tratta la conclusione che il miglior cuscinetto si ottiene con dimensioni più strette della fessura del cuscinetto che diventano sempre più piccole.

Una realizzazione statica di dimensioni della fessura molto strette per mezzo di una formatura ad asportazione di trucioli o di una regolazione in base a alberi di adattamento è collegata sempre a tolleranze di fabbricazione molto piccole, e si giunge rapidamente ai limiti della fattibilità. Per realizzare per esempio dimensioni più strette della fessura di 1-3 μm , le tolleranze di fabbricazione per albero e cuscinetto devono essere comprese tra 0,1 e 0,5 μm.

E’ stato adesso trovato che è più vantaggioso regolare le dimensioni più strete della fessura diretamente durante il funzionamento del supporto gassoso, e quindi utilizzare a tale scopo il comportamento oscillatorio del supporto. Questa realizzazione dinamica delle dimensione della fessura molto streta però è possibile solo con un dispositivo di regolazione preciso per lo spostamento eccentrico del cuscinetto.

La regolazione dinamica delle dimensioni più strete della fessura viene effettuata in modo tale che il supporto viene azionato fino a raggiungere il numero di giri in cui si ha la stabilità oscillatoria (il cosiddeto vortice di emifrequenza). Poi, grazie al dispositivo di regolazione, i cuscinetti vengono disposti in modo eccentrico tra loro, in modo che si formano le dimensioni più strette della fessura e il supporto si stabilizza. A questo punto il numero di giri può essere aumentato ulteriormente, finché il supporto non diviene nuovamente instabile, e quindi con il dispositivo di regolazione le dimensioni più strette della fessura devono essere ulteriormente ridote, finché non si ha nuovamente una corsa stabile. Queste fasi devono essere ripetute finché non si raggiunge il numero di giri di funzionamento definitivo. Per motivi di sicurezza il supporto dovrebbe essere regolato in modo tale che il numero di giri per il vortice di emifrequenza è circa del 20% al di sopra del numero di giri di funzionamento. Con un dispositivo di regolazione grossolano si corre il pericolo che le dimensioni più strette della fessura divengano troppo strette nella realizzazione e si abbia quindi un bloccaggio o un frenaggio dell’albero, cosa che tutavia non comporta alcun danno al cuscinetto o all'albero con i materiali del cuscineto utilizzati.

Per il dispositivo di regolazione del supporto gassoso si ha una pluralità di possibili realizzazioni, che si possono suddividere in due gruppi. Il primo gruppo è rappresentato dai dispositivi di regolazione "a energia", dove il fatto di esercitare una forza sul cuscinetto causa il suddetto spostamento eccentrico del cuscinetto. Quindi un aumento della forza di regolazione porta a una diminuzione delle dimensioni più strette della fessura e quindi a un aumento della rigidità del supporto. I dispositivi di regolazione “a energia" possono per esempio funzionare in modo pneumatico, idraulico, o elettromagnetico. Il secondo gruppo di possibili realizzazioni è rappresentato dai dispositivi di regolazione "a movimento". In questo caso lo spostamento eccentrico del cuscinetto avviene direttamente per mezzo di uno spostamento del movimento, dove tuttavia ulteriori possibilità di trasmissione meccanica consentono una regolazione molto precisa. I principali dispositivi di regolazione "a movimento" funzionano secondo il principio del piano inclinato (viti, coni, camme, ecc.) secondo il principio della leva o per mezzo di trasmissioni a ingranaggi .

Soprattutto i dispositivi di regolazione "a energia” sono adatti a essere azionati per mezzo di una tecnica di guida o di regolazione attiva. Ciò ha i) vantaggio che lo spostamento eccentrico dei cuscinetti viene adattato al rispettivo stato di carico del supporto (forze esterne, numero di giri, riscaldamento, prestazione, ecc.), cosicché non si hanno condizioni oscillatorie critiche. Questo supporto gassoso attivo è adatto a sostenere forze portanti esterne maggiori, pur garantendo una corsa stabile. Per rilevare le grandezze dello stato di carico per la tecnica di guida o di regolazione si possono utilizzare, per esempio, sensori di pressione, numero di giri e temperatura.

In una ulteriore realizzazione della invenzione si cercano idee di possibili configurazioni che possano ulteriormente migliorare il dispositivo di regolazione disponibile, per realizzare la regolazione dello spostamento eccentrico dei cuscinetti gassosi in modo molto preciso e senza problemi. Dato che un gran numero di caratteristiche· e coefficienti di influenza ha un influsso sul sistema meccanico del dispositivo di regolazione, ciò comporta che possa essere utilizzato un gran numero di dispositivi di regolazione, dove tuttavia la maggior parte di essi non è adatta a fornire in modo sufficiente le prestazioni richieste.

E’ stato.adesso trovato che non i valori assoluti, ma per la maggior parte valori e rapporti relativi delle grandezze geometriche e delle caratteristiche fisiche sono rilevanti per quanto concerne una capacità di funzionamento affidabile e ottimale del dispositivo di regolazione, e che tutto deve essere considerato in relazione al resto. Nelle rivendicazioni del presente brevetto vengono citati molti rapporti e relazioni che di volta in volta limitano chiaramente l'intervallo di valori vantaggioso.

I tre cuscinetti descritti nella rivendicazione principale sono posti in un alloggiamento chiuso e sono fissati in modo tale che il primo e il terzo cuscinetto hanno circa la stessa rigidità radiale rispetto all'alloggiamento. II secondo cuscinetto gassoso, che si trova in posizione centrale, dovrebbe avere una rigidità radiale notevolmente inferiore, che sia almeno inferiore del 4,3.

Questa caratteristica meccanica del dispositivo di regolazione ha il vantaggio che regolando lo spostamento eccentrico dei cuscinetti tra loro non si hanno grandi deformazioni flessionali del cuscineto e quindi viene mantenuta la esattezza di formatura della fessura del cuscinetto, che è formata dall’albero e dal cuscineto.

Quindi si è stabilito un effetto vantaggioso sul comportamento oscillatorio di tutto il supporto, dato che le frequenze delle singole risonanze dei cuscineti nell’alloggiamento non formano sovrapposizioni dannose. Inoltre, in tal modo è stato possibile migliorare l’ammonizzazione della oscillazione sincrona al numero di giri dell’albero a rotazione rapida.

Un ulteriore vantaggio decisivo è la diminuzione dell’effetto di scorrimento e bloccaggio (Slip-Stick-Effect) regolando lo spostamento eccentrico dei cuscineti in modo esato, in pochi micrometri, e quindi regolando l’impedimento del bloccaggio del supporto, quando la regolazione avviene durante il funzionamento (nella domanda di breveto principale questo punto viene spiegato in maggiore dettaglio). Un notevole slip-stick-effect porta infati a una regolazione a scatti dello spostamento eccentrico ed è molto problematico.

Le carateristiche termiche e termodinamiche sono di grande importanza per la funzionalità illimitata del dispositivo di regolazione in connessione con tutto il supporto. Dato che le geometrie della fessura del cuscinetto sono comprese in micrometri e che con un veloce utilizzo del supporto si hanno notevoli attriti, si devono considerare le carateristiche delle parti costituenti utilizzate, come il coefficiente di dilatazione termica, la capacità di conduzione termica e la capacità termica specifica. La scelta giusta dei materiali sulla base delle carateristiche suddete e l'adatamento delle misure delle parti costituenti alle carateristiche date sono imprescindibili. Se i rapporti prestabiliti non vengono rispettati, si giunge al bloccaggio dell’albero nel cuscinetto, cosa che può causare una perdita e relativi danni a tutto il supporto.

Inoltre, è importante porre le grandezze geometriche dei tre cuscinetti gassosi nel rapporto giusto tra di loro. Come grandezze geometriche si devono citare innanzitutto il diametro del cuscinetto, la larghezza del cuscinetto, la altezza della fessura e l'eccentricità. Per la formazione di pressioni massime e per una corsa ottimale della pressione nella fessura del cuscinetto gassoso tali grandezze sono decisive.

Il cuscinetto gassoso è il sistema di oscillazione con la maggiore circonferenza tra tutte le possibilità dì supporto. Possono subentrare delle instabilità sotto forma dei cosiddetti vortici di emifrequenza e di airhammer. Nei casi di utilizzo veloci si deve passare attraverso la frequenza propria del cuscinetto, e si deve considerare uno spostamento di fase. Tutte le grandezze geometriche considerate e le caratteristiche fisiche hanno un effetto su tale sistema oscillatorio e solo considerando certe relazioni di tutte le grandezze di influenza e osservando certi valori si può controllare il complesso comportamento oscillatorio dell’albero con la relativa attrezzatura e dei tre cuscinetti gassosi nell'alloggiamento. Solo quando l’insegnamento tecnico indicato nelle rivendicazioni del brevetto viene rispettato si possono soddisfare in modo sufficiente le massime prestazioni richieste al supporto gassoso in coincidenza con il dispositivo di regolazione, ed è possibile inoltrarsi nei settori più estremi della fisica.

Un dispositivo di regolazione semplice ed economico viene descritto in maggiore dettaglio nell'esempio di realizzazione. Qui i cuscinetti spostati in modo eccentrico sono collegati tra loro per mezzo di sottili nervature che oppongono una resistenza fissionale allo spostamento per mezzo di un dispositivo di regolazione a movimento in base a una vite, cosicché una notevole variazione del momento di rotazione sulla vite causa solo un piccolo spostamento in avanti. In questo modo è possibile una regolazione precisa delle dimensioni più strette della fessura.

Un ulteriore vantaggio è rappresentato dal fatto che con un ulteriore utilizzo di tipo statico del supporto il rifornimento di gas dei singoli cuscinetti può avvenire attraverso le sottili nervature.

La figura 1 mostra una realizzazione in scala del supporto di uno specchio poligonale a rotazione rapida. In questo caso un albero 1 è posto in modo aerodinamico in direzione radiale e assiale in un alloggiamento 2. A una estremità dell’albero 1 si trova un disco, sulla cui superfìcie radiale è posto lo specchio poligonale, che è necessario per fare girare un raggio laser in strumenti ottici (per esempio scanner, stampanti, ecc.) . Attraverso un foro 9 nel coperchio di chiusura 8 il raggio laser può giungere sullo specchio poligonale e da lì essere riflesso. All’altra estremità dell’albero 1 si trova il motore che è formato da un rotore 10 fissato all’albero 1 e da uno statore 11 posto nell'alloggiamento 2. Il fissaggio tra l’albero 1 e il rotore 10 è garantito da un collegamento a pressione. Per il supporto ad aria radiale dell’albero 1 sono previsti tre cuscinetti 3a, 3b, 3c. Il primo e il terzo cuscinetto 3a e 3c sono incollati nell'alloggiamento 2. Durante l’incollatura il corpo del cuscinetto viene fissato per mezzo di una vite nel foro filettato 7. Il cuscinetto centrale 3b è collegato per mezzo di sottili nervature 4 con il primo e il terzo cuscinetto e può essere regolato radialmente attraverso la vite 5. Dopo che il supporto ad aria, come descritto nel brevetto principale, è stato regolato su un comportamento di corsa stabile, il cuscinetto centrale 3b può essere incollato ulteriormente per mezzo dei fori 6 con l’alloggiamento 2. Il guscio del cuscinetto 3 in grafite viene pressato nel cuscinetto.

Le superfici assiali del guscio all’estremità dell’albero 1 servono al supporto assiale su entrambi i lati. Il cuscinetto assiale tra l'albero 1 e il cuscinetto 3a viene alimentato per mezzo del cuscinetto radiale con aria compressa.

Nella costruzione di questo supporto gassoso con un dispositivo di regolazione, l’esperto del ramo dovrebbe tenere in considerazione tutte le relazioni e rapporti citati nelle rivendicazioni delle grandezze geometriche e delle caratteristiche fisiche per ottenere una realizzazione ottimale.

Claims (17)

1. RIVENDICAZIONI 1. Supporto gassoso di un albero a rotazione rapida con una attrezzatura posta ad una estremità, dove per il supporto radiale lungo l’albero sono disponibili almeno tre cuscinetti gassosi, che sono posti in un alloggiamento fisso, dove i fori del primo e del terzo cuscinetto sono posti in modo concentrico tra loro e il foro del secondo cuscinetto, che si trova in posizione centrale, è spostato in modo eccentrico rispetto ai fori del primo e del terzo cuscinetto, caratterizzato dal fatto che lo spostamento eccentrico viene causato da un dispositivo di regolazione.
2. 2. Supporto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il valore della rigidità radiale del secondo cuscinetto, che si trova in posizione centrale, rispetto all'alloggiamento, è minore di almeno 4,3 volte rispetto al valore della rigidità radiale del primo e del terzo cuscinetto rispetto alt'alloggiamento, dove la rigidità radiale del primo e del terzo cuscinetto sono circa uguali.
3. 3. Supporto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che i tre cuscinetti gassosi suddetti sono collegati tra loro per mezzo di sottili nervature sui corpi dei cuscinetti.
4. 4. Supporto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il prodotto della densità e del modulo di elasticità del materiale dell’albero è almeno circa 6,7 volte maggiore del prodotto della densità e del modulo di elasticità del materiale del cuscinetto.
5. 5. Supporto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che per lo spostamento eccentrico sono previste una o più viti che premono sul corpo del cuscinetto centrale.
6. 6. Supporto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la somma della massa del primo e del terzo cuscinetto in rapporto al modulo di elasticità del primo o del terzo cuscinetto è almeno 1,5 volte maggiore del rapporto massa/modulo di elasticità del secondo cuscinetto, che si trova in posizione centrale.
7. 7. Supporto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il prodotto del modulo di elasticità e della rigidità del secondo cuscinetto, che si trova in posizione centrale, rispetto all’alloggiamento è almeno maggiore del 2,7 al prodotto del modulo di elasticità e della rigidità del primo e del terzo cuscinetto rispetto all’alloggiamento.
8. 8. Supporto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che per un ulteriore fissaggio la suddetta vite e il corpo del cuscinetto sono incollati al suddetto alloggiamento.
9. 9. Supporto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il rapporto tra il coefficiente di dilatazione termica lineare e la conducibilità termica nel secondo cuscinetto, che si trova in posizione centrale, è al massimo due volte maggiore del rapporto tra il coefficiente di dilatazione termica lineare e la conducibilità termica nel primo o nel terzo cuscinetto.
10. 10. Supporto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fato che il primo e il terzo cuscineto sono incollati nell’alloggiamento.
11. 11. Supporto secondo la rivendicazione 1 , caratterizzato dal fatto che il rapporto tra il diametro del cuscinetto e la lunghezza del cuscinetto nel secondo cuscinetto, che si trova in posizione centrale, è almeno 0,3 e al massimo 1,5 volte maggiore del rapporto tra il diametro del cuscinetto e la lunghezza del cuscinetto nel primo o nel terzo cuscinetto.
12. 12. Supporto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il rapporto tra il diametro del cuscinetto e le dimensioni più strette della fessura nel secondo cuscinetto, che si trova in posizione centrale, rispetto al rapporto tra il diametro del cuscinetto e le dimensioni più strette della fessura nel primo o nel terzo cuscinetto è al massimo maggiore del 3,7.
13. 13. Supporto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il prodotto della lunghezza del cuscinetto e delle dimensioni più strette della fessura del secondo cuscinetto, che si trova in posizione centrale, è maggiore al massimo di 4,5 volte rispetto al prodotto della lunghezza del cuscinetto e delle dimensioni più strette della fessura del primo o del terzo cuscinetto.
14. 14. Supporto secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che il rapporto tra le dimensioni più larghe della fessura del cuscinetto e le dimensioni più strette della fessura del cuscinetto non supera il valore di 3,3 in tutti e tre i cuscinetti.
15. 15. Supporto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il prodotto delle dimensioni più larghe della fessura del cuscinetto e delle dimensioni più strette della fessura del cuscinetto nel primo o nel terzo cuscinetto rispetto al prodotto delle dimensioni più larghe della fessura del cuscinetto e delle dimensioni più strette della fessura del cuscinetto nel secondo cuscinetto, che si trova in posizione centrale, è maggiore almeno di 1,2.
16. 16. Supporto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che il cuscinetto centrale è posto in modo fisso e che il primo e il terzo cuscinetto sono spostati in modo eccentrico per mezzo di un dispositivo di regolazione.
17. 17. Supporto secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che viene utilizzata una pluralità di cuscinetti che sono spostati in modo eccentrico l’uno rispetto all’altro per mezzo di una pluralità di dispositivi dì regolazione.